X波段雷达海面流场信息提取技术研究
随着科技的进步，人们对海洋的兴趣越来越浓厚。海洋面积约占地球面积的三分之二，海洋各类资源丰富，比如生物资源、矿产资源和能源，因此海洋的开发利用显得尤为迫切。但海洋环境极其复杂，海上作业、海上运输、灾害预报和国家海洋安全都依赖于对风、浪、流、潮等物理海洋要素基础数据及其变化规律的掌握和预测预报。
X波段船用导航雷达不仅可用于监视海上移动目标，而且也可以用来进行海浪和海流的测量，其突出优点是价格低廉、可以方便地利用船上导航雷达，实时、全天候地监测附近海域海洋动力环境要素。
作者全程参与了总装预研项目“基于标准X波段雷达的波浪遥测技术”(4071010404)和‘863’课题“X波段雷达海浪探测技术”课题(2004AA639670)研究工作。课题组在研制的“海洋动力环境X波段雷达监测系统(XWCMS)”原理样机基础上，实现了海面流场、海面浪场反演算法。作者主要负责海面流场估计算法研究。通过数值模拟试验和外海比测试验，证明了该算法的科学性和准确性，达到课题研究目标要求。
雷达海面回波形成“海杂波”，选择雷达运行的连续若干幅“海杂波”图像，对其进行模数转换得到回波强度的空时分布，经三维傅立叶变换后得到“海杂波”图像谱，经过滤波、积分，并作用以调制传递函数，最终可以获得海浪谱，进而计算主波频率、主波方向等海态参量。
由于表层流的存在，使得雷达观测频率与海浪本征频率间出现了多普勒频移项，因而反演海面浪场信息时，需要首先确定表层流速度，这样才能给出频散关系，进而对雷达回波信号进行带通滤波。
对于均匀浪流场，本文采用基于傅立叶变换的浪流信息提取算法。论文先给出基于最小二乘法的表层流基础算法。由于谱能量大的波分量更应分布在频散关系曲线上，应用最小二乘法时，本文提出使用加权最合适方差，权重是相应波分量的谱值。高阶谐波和混叠效应对表层流估计有较大影响。对信号进行重构，并采取迭代方法可以逐渐提高表层流估计的精度。
数值模拟试验可以检验浪流信息提取算法正确性。本文以线性波理论为基础，选择P-M谱作为海浪波谱，模拟了海面波高时间序列。影响“海杂波”形成的主要成像机理是阴影调制和倾斜调制，据此并考虑表层流影响，模拟了“海杂波”图像时间序列。应用浪流信息提取算法，获取了表层流速和海浪相关信息，与输入表层流速、海浪参量进行比较。比较结果能够说明算法是可行的。外海试验得到基于傅立叶变换的浪流信息提取算法精度，表层流速平均误差：0.13m/s，表层流向平均误差：13°，主波频率平均误差：10％，主波方向平均误差：5％。可以看出，该算法提取浪流信息达到了相当的精度，尤其对波向的观测，是其它遥测手段无法比拟的。
X波段雷达;海面流场信息;提取技术
中国海洋大学
硕士
声学
王剑
2008
中文
TP722.6;P731.2
59
2008-12-08（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）