亞帆賽間便攜式高頻地波雷達的海態觀測

周 浩 文必洋 吳世才 石振華 景玉山 李四明

（1.武漢大學電子信息學院，湖北 武漢 430079；2.武漢德威斯電子技術有限公司，湖北 武漢 430074）

引 言

海洋表面流場、風場和浪場等狀態參數是重要的海洋動力學要素，監測這些參數對海上和沿岸人類活動和安全以及海防事業都有重要意義。高頻地波雷達（工作于3～30MHz）因具有超視距探測能力而在近幾十年來受到了特別的關注［1-2］，并發展成為海洋環境和海面低速移動目標監測的一種常規手段，實現全天候、大面積的海面連續實時探測。在海面狀態參數中，海洋表面流場探測技術已經趨于成熟，而風浪場探測的機理和技術則仍處于發展和完善的過程中。在可形成窄波束的相控陣雷達中，由于雷達回波距離-方位分辨單元較小，且可獲得空間方向性增益，回波信號易于處理和解釋，因而能夠獲得精度較高和較可靠的風、浪參數［3-4］。而在采用小口徑定向天線（如交叉環／單極子天線）的雷達中，對海浪回波譜的方向性進行分辨是個難題，因而風、浪參數的范圍和精度也較為有限［5］。國外的先進高頻地波雷達（如SeaSonde、WERA等），均進行過長期的與海洋浮標的現場比對實驗，對風浪探測理論的建立和發展起了重要的促進作用［6-8］。小口徑高頻海態雷達無疑是未來我國更高效率建設高頻海態雷達網的重要組成部分，對于海態信息中占重要地位的風、浪場參數，必須結合海洋現場同步資料，進行更為深入的研究。

OSMAR-S是武漢大學電波傳播實驗室開發的便攜式高頻地波雷達系統，采用緊湊單極子／交叉環天線，實現海洋表面流場監測，并可測量風速、浪高等參數。2007年11月，在上海洋山海域成功進行了OSMAR-S與多種傳統海洋設備的多點位現場比測實驗，驗證了雷達的流場測量能力［9］。隨后，OSMAR-S在浙江海域和山東海域進行業務化運行。2010年11月，在廣東汕尾亞運會帆船賽期間，OSMAR-S作為一種重要的海態監測手段，被安裝在紅海灣比賽區域，與海上浮標及沿岸海洋站和氣象站一起，為保障亞運會順利舉行提供海洋氣象服務，同時也為填補海上氣象資料稀缺起到十分重要的作用。同步觀測的傳統海洋儀器，正好為雷達提供了寶貴的對比數據資料。將雷達測量的汕尾海域流速、流向、浪高、浪周期、風向和風速等數據，與海監船搭載的海流計與測風儀以及現場布放浮標實測的數據進行了對比。對比結果表明:雷達與現場浮標、海流計及測風儀的觀測數據較為吻合，初步驗證了便攜式高頻地波雷達OSMAR-S探測近海海態特別是風浪的能力。

1.海態反演理論和方法

高頻電磁波海面散射回波主要由Bragg散射效應產生。20世紀70年代，Barrick建立了窄波束下高頻段海洋回波一階和二階散射截面方程［10-11］，為利用高頻雷達探測海洋表面狀態參數奠定了理論基礎，并隨后提出了窄波束和寬波束條件下的海態參數反演方法，其中由一階Bragg譜峰測量海流和風向，由二階譜反演浪高和風速。海浪對高頻電磁波的主要散射機制是Bragg諧振，即當波長為λ0的雷達波投射到海面時，只有波長L=λ0／2，且傳播方向恰為朝向或者背離雷達的海浪波列會產生最強的后向散射，稱為一階散射。Barrick導出的深水條件下且沒有海洋表面流時的窄波束一階和二階雷達散射截面方程為

式中忽略了常系數，ω為Doppler圓頻率；φ為雷達波束指向；k0為雷達電波波數；S（k，φ）表示有向浪高譜；ωB為Bragg圓頻率；δ（·）為Dirac沖激函數；Γ是耦合系數，二階散射波矢量滿足關系k+k′=-2k0.

Bragg頻率fB只與雷達工作頻率f0有關，即

式中:g=9.8m／s2是重力加速度；c是光速。當海面存在徑向流速vr時，海浪譜將整體向同一方向偏移Δf=2vr／λ0.由一階峰偏移量可計算流速。在OSMAR-S中，回波中實際包含了雷達照射區域內各個方位上的海浪后向散射信號，而各個方位上的海面徑向流速不同，因此，雷達得到的是展寬的一階峰而不是沖激，一階峰的擴展寬度取決于海面徑向流速的分布。由譜峰形狀和信噪比檢測出有效Bragg譜峰，對其內每個譜點利用多重信號分類法（MUSIC）［12］求取到達角，從而得到海面的徑向流速隨方位的分布，再經過后處理，得到單站徑向流圖。由雙（多）站徑向流圖可以合成共同覆蓋區內的矢量流圖。風向由正負一階峰強度的比值得到［13］。有向浪高譜可表示為無向浪高譜與心形方向擴展因子的乘積

式中:無向浪高譜Z（k）采用Pierson-Moscowitz（P-M）譜模型；φw是風向。由下式估計出風向

式中:P+和P-分別是正負一階峰的功率。按上式估計出的風向在以雷達波束指向為中心對稱的方向存在二值模糊。在OSMAR-S中，對風向的提取仍然借助超分辨率定向算法實現，在利用MUSIC算法求取各流速到達方向的同時，記錄下正負譜峰的功率比，得到含有模糊的風向。由于在距離較近的開闊海域內可假設具有均勻（或緩變）的風場，因此在計算出所有方位上的候選風向中，有一組是較為接近的，其方差最小，據此可去除風向模糊［14］。

利用二階譜峰可提取海浪和風速信息。在OSMAR-S中，由加權的二階譜直接計算得到以頻率為變量的無向浪高譜，計算中取較強一階峰一側的二階譜，例如正側較強時

式中:η=ω／ωB為歸一化多普勒譜頻率；w（η）是為了消除耦合系數而引入的權函數，只依賴于多普勒頻率，在0.5≤η≤1.5時可視為常數，在此取w（η）=2.得到浪高譜后由下式計算均方浪高

有效浪高為h=ξ·4h＊，ξ是經驗修正因子，Heron建議的值為0.551［15］.

在得到浪高譜的峰值頻率fp和有效浪高h后，根據SMB（由Sverdrup和Munk提出并由Bretschneider修正）關系式便可求出海面上方10m處風速V［16］10

上式的解析解不易得到，這里采用迭代法求解V10.

2.雷達系統及信號預處理

2.1 系統概述

便攜式高頻地波雷達OSMAR-S主要用于海洋環境監測，采用鞭天線發射、緊湊單極子／交叉環天線進行接收，雷達系統占地面積很少，無需進行專門的天線陣場地建設。OSMAR-S是相干體制雷達，波形采用線性調頻中斷連續波（FMICW），系統主要由頻率綜合器、同步控制電路、發射機、發射天線、單極子／交叉環接收天線、多通道接收機和信號處理機組成。在不增加硬件設備的前提下，實現了自動頻譜監測和自選頻功能。系統框圖如圖1所示。OSMAR-S能夠提供高質量的海浪回波譜，通常在10倍距離分辨率單元上的Bragg峰信噪比可以超過40dB，如圖2（（b）見423頁）所示。通過對接收信號進行瞬態干擾和射頻干擾抑制預處理，進一步保障了信號質量，提高了雷達可靠性。利用回波中單到達角譜點，自動進行各接收通道幅度和相位校準。利用單站雷達信號計算海洋表面徑向流速、風向、浪高和風速。通過間隔一定距離的雙站雷達同時獲得同一海面單元不同方向的徑向流，可合成矢量流。雷達相干處理時間為6.5min，每20 min給出一場平均海態結果。汕尾雷達工作頻率為25MHz，帶寬為300kHz，平均功率100W，最大探測距離30km，距離分辨率500m，流速分辨率為1.5cm／s.

2.2 干擾抑制預處理

OSMAR-S所處的高頻段電磁環境顯著惡劣于更高頻段。雷電等形成強瞬態（沖激）干擾，而高頻段內密集的短波通信電臺、廣播和其它同頻噪聲則形成強射頻干擾，這些干擾將使雷達有效探測距離下降，工作性能降低。由于接收天線形式簡單，從而無法使用大口徑陣列雷達中常用的自適應波束形成方法或者水平極化濾波法來進行干擾抑制，因此，須著重研究干擾的時頻域特征，發展基于陣元的干擾抑制方法。瞬態干擾通?？稍跈z測出后進行挖除即可，在陷零區間較窄時對有用信號影響不大。射頻干擾抑制則相對更復雜。實測數據表明:對高頻雷達影響最大的射頻干擾主要源于短波通信和廣播信號，它們在雷達回波距離-多普勒譜上沿距離軸呈條帶狀分布。已經證明:射頻干擾在距離域相關函數與其在快時域相關函數成正比，而且單頻干擾在各距離元具有相同的譜形式（僅僅有相位的差別）［17-18］。在 OSMAR-S中，選取不含有用回波信號的遠距離段信號xr（n）（距離元序號r=L，…，L+Q-1，時間序號n=1，…，N，N為信號長度，即掃頻周期數）作為參考信號以提高干擾檢測性能，對于瞬態干擾，計算出平均強度時間序列pt（n）=xr（n）｜2，由其直方圖計算背景噪聲電平，按預設干噪比門限α（如20dB）檢測出瞬態干擾區間，如果區間長度小于預設門限（如0.05×N）則將其置零；而對于射頻干擾，計算遠距離段信號的傅里葉變換Xr（k），然后計算平均功率譜Pf（k）=Xr（k）｜2，由直方圖選擇計算背景噪聲電平，按預設干噪比門限β（如20dB）檢測出射頻干擾。如果判定存在射頻干擾，則由參考距離段信號構造干擾信號子空間對待處理距離元信號進行正交投影濾波消除干擾。構造干擾向量xr=［xr（1），…，xr（N）］T，干擾矩陣X= ［xL，…，xL+Q-1］，其中上標T表示轉置，于是干擾的距離域相關矩陣估計為R=（上標H表示共軛轉置），對R進行特征分解并依據能量取前K 個主極大特征值λi（i=1，…，K）作為干擾特征值，其相應的特征向量矩陣V=［v1，…，vK］構成干擾子空間，對有效距離元上的信號xi（1≤i≤K）進行正交投影濾波就可以實現射頻干擾抑制，干擾抑制后的信號為xi，sup=xi-VVHxi.由于OSMAR-S相干積累時間較長，通常射頻干擾會呈現非平穩性，因此實際中進行了分段處理（如分為128點子段）。通過上述信號陣元域干擾抑制預處理，顯著提升了OSMAR-S的抗干擾能力和探測性能。

2.3 通道幅相校準

OSMAR-S采用三元共相位中心單極子／交叉環天線進行接收，其理想方向圖分別為1、cos（θ+π／4）和sin（θ+π／4）（以交叉環角平分線為零度），因而無法形成較窄的波束，在海流反演時需使用超分辨率定向算法（如MUSIC）進行到達角估計。為得到良好的估計性能，在進行測向之前，必須進行包括接收天線在內的接收通道幅度和相位校準［19］。為了避免由于一次通道幅相校準中較大誤差導致的性能下降，需要進行多次校準值計算，并在一段時間（如1小時）內進行統計平均。此外，由于OSMARS具有頻譜監測和自動選頻功能，而且在不同頻率下各通道幅度相位值也不同，因而幅相校準值對不同的工作頻率必須重新計算。OSMAR-S不使用人工信標裝置，而使用雷達接收的回波譜進行統計實現無源自動校準。觀測海域內連續分布的海水及隨機分布的目標為雷達提供了天然的校準源，回波譜中信噪比超過一定閾值（如20dB）的任意譜點都被用來進行校準計算。計算中均以單極子天線回波譜為參考，計算環天線上的相對幅度和相位。為了提高校準可靠性，首先要剔除電離層雜波和射頻干擾等譜點；此外，利用共相位中心天線系統的特點，根據環天線回波譜點的相位剔除偏離中心較大的譜點（如圖3（a）（見423頁）所示）。相位校準值由環天線相對相位中心給出。如果各回波譜點均來自于單一到達角，則2個環各譜點的功率應呈直線分布，可以利用下式擬合計算相對幅度校準值［20］

式中:p1，m和p2，m分別是環1和環2上第m個譜點的功率；a1和a2是幅度校準值。然而，在實際中，由于同一頻率的回波譜點可能來自多個到達角，同時天線方向圖與理想方向圖之間存在差異，常常破壞了環功率的直線分布形式（如圖3（b）所示），此時無法利用上式求解。但是，在2個環天線通道幅度大致平衡（即a1與a2相差不太大）及觀測海域沿交叉環角平分線大致對稱的條件下，由各譜點幅度分布的中心即可求得幅度校準值，即

3.觀測結果及分析

2010年11月，便攜式高頻地波雷達OSMAR-S作為海洋觀測設備之一，參與了亞運會帆船賽的海洋氣象保障觀測工作。海上傳統海洋儀器、岸上臺站和雷達對汕尾海域形成了同步觀測網。對雷達而言，在獲取稀缺海上數據資料的同時，此次觀測也是利用現場海洋儀器對遙測海態進行比對的寶貴機會。海區內布有3個遙測浮標，其中A位于（115°32.2′E，22°39.5′N），B位于（115°34.2′E，22°38.2′N），Q位于（115°32.9′E，22°36.0′N），提供浪高、浪周期、風速和風向等數據；另外有船只現場不定點測量表面矢量流速和風速。OSMAR-S系統的2個動明顯高于雷達，說明船測數據的流向存在較大誤遠端站分別設置于汕尾小澳 A（115°29.8′E，22°41.2′N）和遮浪 B（115°32.2′E，22°39.5′N），提供帆船比賽海域的流場以及有效浪高、浪周期、風速和風向信息，其中由于OSMAR-S的指向性不強因而只給出了海域內風浪參數的平均值。由于2個雷達站給出的風浪參數相近，這里只給出了小澳站與現場測量風浪參數比對的結果。

圖4給出了OSMAR-S在2010年11月17日13:00實測的汕尾海域矢量流圖。圖中分別用五角星和圓形符號標明了雷達站和浮標位置，浮標實際處于雷達探測區域的邊緣。用于海流測量的船只在雷達公共覆蓋區內不定點測量，船只每天的位置有所變化。觀測發現，由于遮浪半島對東西兩側海域的天然屏障作用，表面流場在靠近遮浪的區域內變化較大。因此，只將OSMAR-S測量流速與覆蓋區內的船只測速進行了對比。圖5給出了11月13日至20日期間OSMAR-S測得流速與船載拋投式海流計現場測得的流速對比結果，其中（a）為流速，（b）為流向。流速標準差為8.6cm／s，流向標準差為46.6°.由雷達和船實測數據的對比結果來看，二者基本吻合。以船測結果為基準，表面流速測量誤差在雷達設計容許范圍內，而表面流向誤差超出了雷達設計誤差。分別對雷達所得表面流與船測表面流的流向方差進行了分析，其中雷達測得流向的方差為23°，而船測流向的方差為44°，船測數據自身波差。將小澳站測得風速和風向與船只搭載測風儀測量數據進行對比的結果如圖6所示，其中時間軸0表示2010年11月1日0:00.風向標準差為19.2°，風速標準差為1.9m／s，這表明二者測量結果具有良好的一致性。

圖7給出了OSMAR-S的小澳站反演風浪參數與浮標A、B得到參數的時間變化曲線對比，其中浮標風速風向由2個浮標聯合給出。雷達與浮標Q的測量結果如圖8所示。圖中時間起點0表示2010年11月1日0∶00，測量數據的時間間隔均為1h.雷達與3個浮標測量結果之間的平均偏差和標準差如表1所示。對比結果表明:OSMAR-S測得浪高及浪周期與浮標測量值具有良好的一致性，而風速和風向的誤差稍大，這是由于風速反演是基于浪高參數的，風速和風向的反演精度也受到雷達定向能力的制約。這些結果初步驗證了OSMAR-S遙測風浪參數的能力?？傮w來看，OSMAR-S給出的浪高、浪周期和風速參數結果的短期起伏性較大，且未能及時響應海面狀態的變化，這主要是由于雷達波束指向能力不足，各方位海浪回波的混疊模糊了海態變化的影響，且回波信號中一階譜和二階譜的混疊和展寬為譜區劃分及風浪參數提取帶來了困難；此外，現有處理方式下雷達采用的20min處理周期較短以及隨機出現的船只回波等都是導致短期起伏的因素。

4.結 論

海上現場對比驗證實驗表明:海洋回波譜的信噪比、波束寬度、反演方法和海況等級是決定海態參數估計精度的重要因素。

良好的硬件系統設計和信號處理手段為便攜式高頻地波雷達OSMAR-S獲得高質量海洋回波信號提供了技術保障。通過汕尾亞帆賽期間的雷達海洋觀測及其與現場海態測量儀器持續近20天的對比，初步驗證了雷達測量風浪參數的能力。今后將繼續深入研究高頻雷達海態探測機理和反演技術，以突破較寬的天線波束對風浪參數反演精度的制約。另外，將進行更多的海上現場對比實驗，以提升和完善便攜式海態雷達的風浪探測能力。

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