OS081H高頻地波雷達(dá)系統(tǒng)海面風(fēng)向反演實(shí)驗(yàn)研究

王曙曜 楚曉亮 徐 坤 王 劍 周 濤 魏開進(jìn)

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OS081H高頻地波雷達(dá)系統(tǒng)海面風(fēng)向反演實(shí)驗(yàn)研究

王曙曜①②楚曉亮*①③徐 坤②王 劍①周 濤②魏開進(jìn)②

①(中國(guó)海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 青島 266100)②(中船重工鵬力(南京)大氣海洋系統(tǒng)有限公司 南京 211106)③(國(guó)家海洋局第一海洋研究所 青島 266061)

基于風(fēng)向多波束法的思想，該文提出了一種新的多波束法實(shí)現(xiàn)方式—最小二乘多波束法，解決了傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式可能存在的波束沒有交點(diǎn)的問題。將此方法應(yīng)用到高頻地波雷達(dá)OS081H的風(fēng)向反演中，并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，表明該方法可有效地消除風(fēng)向模糊。同時(shí)，通過與最大似然法的結(jié)果進(jìn)行比較分析，并考慮了風(fēng)速對(duì)風(fēng)向反演的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速越大風(fēng)向反演結(jié)果的相關(guān)性和精度越好。

高頻地波雷達(dá)；風(fēng)向；風(fēng)速；多波束法

1 引言

利用高頻地波雷達(dá)對(duì)海面狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)是近幾十年來(lái)無(wú)線電海洋學(xué)的一個(gè)重要研究方向[1]。根據(jù)利用高頻(3~30 MHz)電磁波與海面波浪的相互作用產(chǎn)生散射的機(jī)理，通過相關(guān)算法處理可以從雷達(dá)回波譜提取相關(guān)的海況參數(shù)(風(fēng)、浪、流等)，實(shí)現(xiàn)對(duì)海況分析和預(yù)報(bào)。這種方法可以大面積、全天候?qū)r進(jìn)行監(jiān)測(cè)，且不受天氣和地理?xiàng)l件的限制，經(jīng)濟(jì)可靠，探測(cè)精度較高，因而受到各個(gè)國(guó)家的重視。

目前關(guān)于海況參數(shù)的反演主要基于Barrick[2,3]提出的一階、二階海洋回波譜理論，其反演內(nèi)容主要包括風(fēng)場(chǎng)、浪場(chǎng)和流場(chǎng)等信息，其中海流的探測(cè)已成熟，但風(fēng)、浪的反演還處于探索研究階段，是近年來(lái)高頻地波雷達(dá)研究的一個(gè)重要課題。風(fēng)向的反演主要是基于多譜勒譜正負(fù)一階峰的比值和風(fēng)向的半經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。文獻(xiàn)[4]首次利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)從多普勒譜中提取出海面風(fēng)向；文獻(xiàn)[5]加入海浪能量的擴(kuò)散因子，利用SMB方法求出風(fēng)向，但以上兩種方法在單站雷達(dá)系統(tǒng)的情況下都存在風(fēng)向模糊性的問題；后來(lái)，文獻(xiàn)[6]分別提出了多波束法，最大似然法[7,8]及最小差值法[9]解決了單站雷達(dá)風(fēng)向模糊性問題。但是傳統(tǒng)的多波束方法存在波束沒有交點(diǎn)的問題，最大似然法在單站雷達(dá)的情況下反演精度不高，最小差值法需要提前確定海浪能量的擴(kuò)散因子。另外，通過雙站雷達(dá)可以很容易解決風(fēng)向模糊性問題，但是雙站雷達(dá)建設(shè)成本和維護(hù)成本較高。最近幾年，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法正試圖用于反演風(fēng)向[10,11]，但算法的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性不能保證。

最小二乘法最初是用于雙站雷達(dá)反演方向的方法。基于多波束方法的思想，本文通過改進(jìn)最小二乘法，將其用于單站雷達(dá)的風(fēng)向反演上。最小二乘多波束法作為多波束法的一新的實(shí)現(xiàn)方式，能夠有效解決傳統(tǒng)多波束法的可能沒有波束交點(diǎn)的問題不足。將最小二乘多波束法對(duì)應(yīng)用到高頻地波雷達(dá)OS081H的風(fēng)向反演中，并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，表明該方法可有效地消除風(fēng)向模糊。同時(shí)，將最小二乘多波束法與最大似然法的風(fēng)向反演結(jié)果做了分析比較，在分析中充分考慮了風(fēng)速對(duì)風(fēng)向反演結(jié)果的影響。

2 風(fēng)向反演的基本原理

海面對(duì)入射的高頻電磁波由于散射作用，產(chǎn)生一階、二階海洋回波，其中海面風(fēng)向的反演主要基于一階海洋回波譜。其中海洋回波譜如圖1所示。

Barrick[3]針對(duì)深水且無(wú)表面流的情況下，給出了散射截面方程，其中一階散射截面方程為

風(fēng)向的反演主要是基于正負(fù)一階峰的比值，式(2)定量描述了風(fēng)向與正負(fù)一階峰比值的關(guān)系[3]：

為歸一化系數(shù)。將式(3)代入到式(2)可得

代入式(2)可得

3 反演方法

3.1 最小二乘多波束法

圖1 歸一化的多普勒譜

圖2 波束與風(fēng)向的夾角和正負(fù)一階峰比值的相關(guān)示意圖

圖3 風(fēng)向與擴(kuò)展因子的相關(guān)示意圖

但是從圖3(b)可以看出，兩列波束有可能沒有交點(diǎn)，若利用3列波束，也可能沒有交點(diǎn)或沒有共同的交點(diǎn)的情況，本文根據(jù)雙站雷達(dá)風(fēng)向反演的方法和多波束的思想提出了一種多波束法的新的實(shí)現(xiàn)方式，可以有效解決多波束法沒有交點(diǎn)的問題。最小二乘法最初應(yīng)用于雙站高頻地波雷達(dá)測(cè)風(fēng)向[13]，如式(8)所示。

將式(8)用于單站雷達(dá)的風(fēng)向反演，首先假設(shè)風(fēng)向在相鄰區(qū)域是一致的，將式(8)修改為

可以看出，若利用傳統(tǒng)的波束法直接求交點(diǎn)，如果存在交點(diǎn)，式(10)中的最小二乘表達(dá)式的值必然為零，兩者的反演精度相當(dāng)。如果不存在交點(diǎn)，亦可以求最小二乘表達(dá)式的最小值，找到一個(gè)合理的風(fēng)向值。

3.2 最大似然法

Wyatt[7]在1997年提出了最大似然法求風(fēng)向，其基本思路為

4 數(shù)據(jù)處理和分析

本文試驗(yàn)采用中船重工鵬力(南京)大氣海洋系統(tǒng)有限公司研發(fā)的數(shù)字化高頻地波雷達(dá)OS081H系統(tǒng)在江蘇鹽城濱海基地的外場(chǎng)觀測(cè)資料。該雷達(dá)系統(tǒng)采用了收發(fā)分開共站體制，其工作帶寬為30 kHz，發(fā)射天線為三元八木天線，接收天線為24元雙排陣型，反演風(fēng)浪時(shí)采用了數(shù)字波束合成技術(shù)，具體的雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)見表1。

表1高頻地波雷達(dá)OS081H基本參數(shù)

參數(shù)數(shù)值 工作頻率(MHz)10.75 發(fā)射功率(W)200 距離分辨率(km)5 方位分辨率(°)(風(fēng)、浪)10 時(shí)間分辨率(min)10

反演之前的數(shù)據(jù)處理[14]包含以下幾方面：(1)對(duì)雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)輸出的FFT信號(hào)進(jìn)行數(shù)字波束合成得到各個(gè)方向各個(gè)距離元上的多普勒譜；(2)找出反演區(qū)域所需要的9個(gè)多普勒譜，并計(jì)算其正負(fù)一階峰的比值；(3)一階峰的信噪比若低于10 dB，本文不予反演；(4)利用單站雷達(dá)消除風(fēng)向模糊的前提是相鄰區(qū)域的風(fēng)向是一致或者漸變的，選取相鄰的9個(gè)單元格上的多普勒譜數(shù)據(jù)計(jì)算時(shí)，如果其正負(fù)一階峰比值相差較大，本文不予反演。

雖然誤差偏大，但從圖4和圖5可以看出，兩種反演方法反演的結(jié)果基本都能夠反映風(fēng)向的變化趨勢(shì)，另外，從相關(guān)系數(shù)和誤差上看，最小二乘多波束法優(yōu)于最大似然法，因而，利用最小二乘法的這種多波束實(shí)現(xiàn)方式通過單站雷達(dá)反演風(fēng)向是可行的。

圖4 多波束與自動(dòng)氣象站的對(duì)比

圖5 最大似然法與自動(dòng)氣象站的對(duì)比

圖6 海面風(fēng)速隨時(shí)間的變化

圖7 兩種算法反演結(jié)果與自動(dòng)氣象站的相關(guān)示意圖

圖8 兩種反演結(jié)果與自動(dòng)氣象站的差值和風(fēng)速的關(guān)系(圖中直線代表風(fēng)速為4.6 m/s分界線)

表2分段數(shù)據(jù)的對(duì)比結(jié)果

方法風(fēng)速小于4.6 m/s風(fēng)速大于4.6 m/s 相關(guān)系數(shù)均方根誤差(°)相關(guān)系數(shù)均方根誤差(°) 最大似然法0.46101.80.8130.2 最小二乘多波束法0.62 81.70.9319.3

5 結(jié)論

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王曙曜： 男，1988年生，碩士生，研究方向?yàn)楦哳l地波雷達(dá)海洋參數(shù)遙感.

楚曉亮： 男，1977年生，博士，現(xiàn)主要從事X波段導(dǎo)航雷達(dá)和高頻地波雷達(dá)海態(tài)反演的研究.

徐 坤： 男，1985年生，工程師，現(xiàn)主要從事高頻地波雷達(dá)信號(hào)處理的研究.

王 劍： 男，1966年生，副教授，研究方向?yàn)楹Ｑ蟠髿獠▽?dǎo)及其應(yīng)用.

周 濤： 男，1964年生，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)槔走_(dá)總體及信號(hào)處理.

魏開進(jìn)： 男，1987年生，工程師，現(xiàn)主要從事高頻地波雷達(dá)海洋參數(shù)的遙感.

Experimental Research on Inversion of Wind Direction with HFSWR OS081H

Wang Shu-yao①②Chu Xiao-liang①③Xu Kun②Wang Jian①Zhou Tao②Wei Kai-jin②

①(,,266100,)②(().,211106,)③(,266061,)

Based on the idea of the multiple beam method, the least squares multi beam method is developed to resolve the problem that there is no intersections between beams by the traditional means of implementation . The method is used to process the data obtained from the OS081H high frequency surface radar system and the results are compared with the data obtained from automatic meteorological station. It is showing that this method can eliminate the wind direction ambiguity. In addition, the results are compared with the data obtained by the maximum likelihood method and the effect of wind speed on the accuracy of inversion is discussed.The results show that the correlation and accuracy improves as wind speed increases.

HF Surface Wave Radar (HFSWR); Wind direction; Wind speed; Multiple beam method

TN958; P71

A

1009-5896(2014)06-1400-06

10.3724/SP.J.1146.2013.01180

楚曉亮 xlchu@ouc.edu.cn

2013-08-06收到，2014-01-02改回

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)課題(61032011)，中國(guó)博士后科學(xué)基金(2013M531559)和江蘇省科技成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目(DA2011014)資助課題