X波段雷达海面流场信息提取技术研究

论文摘要

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:13o,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。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 前言
• 1.1 引言
• 1.2 X 波段雷达浪流观测与反演技术的发展历程及研究现状
• 1.3 论文研究的主要内容
• 2 海浪信息提取算法
• 2.1 PPI 图像
• 2.2 三维傅立叶变换（3D FFT）
• 2.3 频散关系
• 2.4 带通滤波、积分
• 2.5 调制传递函数（MTF）
• 2.6 海浪谱
• 3 均匀海面流场信息提取算法
• 3.1 确定表层流的基本算法
• 3.2 高阶次波和混叠效应的影响
• 3.3 流反演算法实现
• 4 数值仿真试验研究
• 4.1 海面波高的数值模拟
• 4.2 雷达海杂波图像的数值模拟
• 4.3 反演结果及分析
• 5 海洋动力环境X 波段监测系统及海上比测试验
• 5.1 系统组成
• 5.2 试验过程
• 6 数据处理及结果分析
• 6.1 表层流速、海浪谱及参量现场测量数据的获取
• 6.2 表层流速、海浪谱及海态参量的比测研究
• 6.2.1 海浪谱比测图
• 6.2.2 海态参数的比测结果
• 6.2.3 表层流比测结果
• 6.3 比测结果分析
• 7 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 攻读学位期间的主要成果