王曙曜,施春榮,陸小虎,周　濤,陳天富

(1.中船重工鵬力(南京)大氣海洋信息系統(tǒng)有限公司,南京211100;2.南京鵬力系統(tǒng)工程研究所,南京211100)

數字化高頻地波雷達海態(tài)信息提取試驗研究

王曙曜1,施春榮2,陸小虎1,周濤1,陳天富1

(1.中船重工鵬力(南京)大氣海洋信息系統(tǒng)有限公司,南京211100;2.南京鵬力系統(tǒng)工程研究所,南京211100)

摘要：利用數字化高頻地波雷達系統(tǒng),通過對鹽城濱海海域的雷達回波數據進行分析,并將得到的海態(tài)結果與浮標實測的數據進行了比對,結果表明數字化高頻地波雷達系統(tǒng)可以高精度地提取海流信息,同時也可以有效地提取高海況下的風速風向和浪高信息。

關鍵詞:數字化高頻地波雷達;徑向流速;有效浪高;風速;風向

0引言

高頻地波雷達對海洋狀態(tài)進行監(jiān)測已經有幾十年的發(fā)展歷史。利用高頻電磁波與海面波浪的相互作用產生散射的機理,通過數字波束形成、空間譜估計等相關算法處理可以從雷達回波譜提取海況參數(如風、浪、流等),實現(xiàn)海況信息的實時獲取。高頻地波雷達具有大面積、全天候對海況進行監(jiān)測能力,且不受天氣和地理條件的限制,經濟可靠,探測精度較高,因而逐漸受到各個國家的重視[1]。

目前,國內外高頻地波雷達普遍采用了數字和模擬相結合的體制,其模擬電路會帶來大量的噪聲及附加干擾,同時會存在各個通道幅相不一致的問題,極大地影響了海態(tài)信息提取精度。數字化高頻地波雷達最大程度地采用了數字化和軟件無線電技術,從根本上避免了以上問題的存在,無論是可靠性方面還是探測性能方面都要優(yōu)于數模體制雷達。

本文利用全數字化高頻地波雷達系統(tǒng)典型代表產品OS081H高頻地波雷達在鹽城濱?；剡M行了海態(tài)觀察試驗,并對雷達反演數據和浮標數據進行了比對。結果表明,數字化高頻地波雷達系統(tǒng)可以高精度地提取海流信息,同時也可以有效地提取高海況下的風速風向和浪高信息。

1地波雷達提取海態(tài)基本原理

1.1徑向流速和方位信息的提取

寬波束雷達天線陣列的每一根天線接收的信號方向都來自寬闊的海面,而不同方向上的徑向流速一般不同,窄波束情形下雷達回波的一階譜線在這里被展寬成了有一定寬度的一階譜區(qū)。譜區(qū)中的每一個譜點(對應于一個徑向海流速度值)都對應某一個方向上一階回波的貢獻,找到了譜點和方向的對應關系就等同于求出了海流的方位分布。徑向流速值可以從所選譜點與對應Bragg圓頻率的偏移直接得到,徑向流的方位則可通過上述的MUSIC算法估計出來,也可以利用MVM波束掃描得到。

1.2浪高參數反演方法——Barrick法

浪高反演算法采用Barrick提出的浪高反演經驗模型[2],其求解公式為

(1)

其中w(η)是為了消除耦合系數而引入的一個權函數,它只依賴于多普勒譜頻率,而與雷達頻率、雷達波束和風向的夾角、浪高及其他參數無關,且對于0.5≤η≤1.5時可視為常數,η=ωD/ωB為歸一化多普勒譜頻率。根據式(1)求解浪高時不必對整個多普勒譜積分,而只需對多普勒譜強度較大的一邊(-∞<ωD<0,or0<ωD<+∞)積分即可。

1.3風速和風向信息提取

風速反演采用了風速與二階譜和一階譜能量比值經驗關系式[3]:

(2)

其中,a,b為待定擬合系數,R為二階譜能量與一階譜能量的比值。

風向反演采用Heron和Rose提出的多波束采樣確定風向的方法[4],風向與正負一階峰強度比值定量關系為

(3)

2試驗概述

試驗場地為江蘇海洋氣象綜合觀察研究基地。試驗設備為OS081H高頻地波雷達和大浮標。OS081H高頻地波雷達系統(tǒng)主要由發(fā)射天線、接收天線、發(fā)射分機以及接收分機組成,主要指標見表1。圖1和圖2分別給出了雷達多普勒回波和雷達站位置及浮標布設位置。

表1　濱?；豋S081H地波雷達參數指標

圖1　OS081H高頻地波雷達多普勒頻譜圖

圖2　雷達站位置和浮標布設位置

3試驗結果分析

本文選取了2015.5.1～2015.5.31時間段的數據進行了分析。雷達結果時間分辨率為10 min,浮標實測結果時間分辨率為1 h,故將雷達1 h所測6場結果進行平均處理,以便與浮標結果時間相對應。同時,雷達反演流速為徑向流速,需要通過公式將浮標矢量流轉化為該點所在雷達波束上的徑向流,vr代表了雷達徑向流速,vc代表浮標矢量流速,αc代表浮標所測海流流向,βr代表該點所在波束方向。

(4)

圖3和圖4給出了雷達流速和浮標流速的時間比對圖和散點圖,二者的平均誤差約5 cm/s,相關系數約0.91。該結果表明雷達海流結果與浮標實測結果具有良好的一致性。誤差來源主要有3個方面:

(1) OS081H系統(tǒng)是假定浮標海域位置滿足深水條件,即

h>2*lamda

其中,h為水深,lamda為雷達電波波長。雷達電波波長為27.9 m,即要求水深大于55.8 m。此處位置的水深無法獲取相應的數據。若該位置水深不滿足深水條件,無法對該位置點的海流進行修正,這會帶來一定的誤差。

(2) 地波雷達海流結果代表地波雷達面元海域的海流平均值,而浮標實測海流僅代表該位置點的海流值。若將二者的海流結果減去各自的平均值,則平均誤差降低到3.5 cm/s。

(3) 海流算法本身的精度會帶有相應的誤差,包括一階譜有效頻點的選取過程中會誤將目標點當作海流頻點。求海流頻點方位時信號源數判斷錯誤,在海流插值過程中也會不可避免地帶來一定誤差。

另外,雷達系統(tǒng)誤差和多普勒頻率分辨率精度等也會帶來相應的誤差。對于這些誤差來源對海流精度的影響,后續(xù)會作更詳細的研究。

圖3　雷達流速和浮標流速時間序列比對

圖4　雷達流速和浮標流速散點圖

圖5代表了地波雷達風向與浮標實測風向的比對。

圖5　雷達風向與浮標風向時間序列比對

二者的變化趨勢比較吻合,平均誤差約21°,相關系數0.81。誤差來源主要有以下兩個方面:

圖6　雷達風向與浮標風向時間序列比對

(2) OS081H系統(tǒng)風向反演算法為消除風向模糊,假定一定海域的風向是一致的或變化趨勢相對緩慢,在某些時間點,風向并沒有一定的空間相關性。這會導致一定的誤差。

圖7、圖8分別代表了雷達風速、浪高與浮標實測結果的比對,浪高平均誤差為0.52,相關系數為0.80,風速的平均誤差為1.5 m/s,相關系數為0.78 m。由于浪高風速反演依賴于二階回波譜,同時雷達發(fā)射頻率較低,故二階譜對低海況并不敏感,從而導致在低海況時浪高與風速的反演誤差會相對較高。圖9代表排除掉風速小于5 m/s的數據點后雷達風速與浮標風速的比對,風速的平均誤差減小到1.0 m/s,相關系數提高到0.82。圖10代表排除掉小于波高0.5 m的數據點后雷達波高與浮標波高的時間比對,浪高的平均誤差減小到0.31 m,相關系數提高到0.88。

圖7　雷達風速與浮標風速時間序列的比對

圖8　雷達浪高與浮標浪高時間序列比對

圖9　雷達風速與浮標風速時間序列比對(風速>5 m/s的數據點)

圖10　雷達浪高與浮標浪高時間序列比對(浪高>0.5的數據點)

4結束語

本文利用OS081H高頻地波雷達在濱海海域獲取的試驗數據,通過相關算法處理獲得了徑向流速、風速、風向和浪高,并和浮標數據作了比對分析。通過分析,得到了海流的平均誤差為5 cm/s,排除掉較低海況的數據點,風向的平均誤差為15°,風速的平均誤差為1 m/s,浪高的平均誤差為0.31 m。該結果表明了數字化地波雷達系統(tǒng)可以高精度地提取海流信息,同時也可以有效提高高海況下的風向、風速和浪高信息。另外,通過進一步的大量海態(tài)試驗,進而通過數據比測修正和校正算法,該系統(tǒng)的測量精度會得到進一步的提高。

參考文獻:

[1]Wyatt L R,High frequency radar application in coastal monitoring planning and engineering[J].Australian Journal of Civil Engineering,2014,12(1):1-15.

[2]Barrick D E.Extraction of wave parameters from measured HF radar sea-echo Doppler spectra[J].Radio Science,1977,12(3): 415-424.

[3]楚曉亮,張杰,高頻地波雷達風速直接反演的經驗模型[J].電子與信息學報,2015,37(4):1013-1016.

[4]Heron M L,Rose R J.On the application of HF ocean radar to the observation of temporal and spatial changes in wind direction[J].IEEE Journal of Oceanic Engineering,1986,11(2):210-218.

Sea-state information extraction and test of digital HF ground-wave radar

WANG Shu-yao1, SHI Chun-rong2, LU Xiao-hu1, ZHOU Tao1, CHEN Tian-fu1

(1. PRIDE (Nanjing) Atmospheric and Oceanic Information System Co., Ltd. of CSIC,Nanjing 211100;2.Research Institute of Nanjing PRIDE Systems Engineering, Nanjing 211100)

Abstract:Based on the digital HF ground-wave radar system, with the analysis of radar echo data of Binhai waters in Yancheng, the sea-state results and the actual buoy data are compared. The results indicate that the digital HF ground-wave radar system can effectively extract the high-precision ocean current, the wind speed, the wind direction, and the wave height.

Keywords:digital HF ground-wave radar; radial current velocity; effective wave height; wind speed; wind direction

收稿日期:2016-03-20

作者簡介:王曙曜(1988-),男,碩士,工程師,研究方向:高頻地波雷達海態(tài)反演研究;施春榮(1978-),男,高級工程師,研究方向:雷達總體設計;陸小虎(1985-),男,碩士,研究方向:雷達信號處理;周濤(1968-),男,研究員,研究方向:雷達總體設計;陳天富(1988-),男,碩士,工程師,研究方向:雷達信號處理。

中圖分類號:TN958

文獻標志碼:A

文章編號:1009-0401(2016)02-0005-04

項目支持:國家國際科技合作專項項目-小型化地波超視距雷達綜合監(jiān)測系統(tǒng)的聯(lián)合研發(fā)(項目號:2012DFR10050);國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)-浮標式高頻地波雷達系統(tǒng)研制(項目號:2012AA091702);)