一種基于雷達(dá)回波中線譜強(qiáng)度估計(jì)海面風(fēng)速的方法和裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及高頻地波雷達(dá)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于雷達(dá)回波 中線譜強(qiáng)度估計(jì)海面風(fēng)速的方法和裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 海面風(fēng)速是一項(xiàng)非常重要的海態(tài)參數(shù)，對(duì)諸多海上活動(dòng)都有著重要影響，然而風(fēng) 速遙感卻仍是一個(gè)難題。目前，世界海洋國(guó)家均建設(shè)有或者正在建設(shè)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，其 中岸基尚頻海態(tài)雷達(dá)占有重要地位?，F(xiàn)有的尚頻雷達(dá)反演風(fēng)速的主流方法依賴于浪尚參數(shù) 的獲取，即先估計(jì)出有效浪高和浪周期，然后依據(jù)某種模式估計(jì)出風(fēng)速。由于高頻雷達(dá)浪高 參數(shù)估計(jì)本身就存在一定誤差，并且模式也主要采用半經(jīng)驗(yàn)公式，因此風(fēng)速估計(jì)尚未達(dá)到 浪高估計(jì)的精度，且不能測(cè)量低于5m/s的風(fēng)速值。
[0003] 高頻段電磁波經(jīng)海浪后向散射的主要機(jī)制是布拉格（Bragg)散射效應(yīng)，回波譜主 要成分是一階和二階散射譜。一階譜是線譜，也稱為一階峰，由波長(zhǎng)等于雷達(dá)電波波長(zhǎng)一半 的海浪產(chǎn)生；二階譜位于一階譜兩側(cè)，主要是連續(xù)譜，在特定頻率上也存在線譜成分。目前， 國(guó)際上各型高頻海態(tài)雷達(dá)海態(tài)反演已形成穩(wěn)定的浪高估計(jì)框架，即由一階峰提取流速和風(fēng) 向，由二階譜區(qū)積分值提取浪高，進(jìn)而估計(jì)風(fēng)速。二階譜區(qū)內(nèi)的線譜分量主要有二次諧振 峰，位于及倍布拉格頻率處，它們?cè)诜e分時(shí)被施以較小的權(quán)值而抑制掉。獲得一定精度浪 高的前提條件，則是要存在滿足較高信噪比條件的二階譜。因此，高頻地波雷達(dá)的風(fēng)浪提取 只能局限在具有較強(qiáng)二階譜的較近距離元上。特別地，采用單極子/交叉環(huán)等緊湊式接收 天線的便攜式高頻地波雷達(dá)，由于無(wú)法獲得高空間增益，更是只能在較近的若干個(gè)距離元 上提取風(fēng)浪參數(shù)，且容易受到外部干擾的影響，同時(shí)二階譜的空間混疊也會(huì)形成不利影響。 由于二階譜主要是連續(xù)譜，占據(jù)較寬的頻率范圍，因此各方位上的來(lái)波混疊在一起，無(wú)法分 離。在實(shí)際應(yīng)用中，出于雷達(dá)建站成本和推廣難度及無(wú)線電管理的考慮，不能單純采用擴(kuò)大 陣列口徑和提高發(fā)射功率的方法來(lái)提高風(fēng)速測(cè)量精度。因此，在現(xiàn)有由二階譜提取風(fēng)浪的 框架下，高頻地波雷達(dá)尤其是便攜式雷達(dá)只能測(cè)量近海區(qū)域內(nèi)的風(fēng)速，且難以達(dá)到較高的 精度。
[0004]文獻(xiàn)（Shen，W.，K. -W.Gurgel，G.Voulgaris，T.Schlick，andD.Stammer. 2012."Wi nd-speedinversionfromHFradarfirst-orderbackscattersignal.''OceanDynamics 62 (1) : 105-121.)報(bào)道了一種利用一階譜直接估計(jì)風(fēng)速的方法，然而該方法是通過(guò)浮標(biāo)數(shù) 據(jù)的訓(xùn)練，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)感知譜值與風(fēng)速之間的關(guān)系，并未清晰地給出一階譜隨風(fēng)速響應(yīng) 的數(shù)學(xué)模型。而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的性能，也受到網(wǎng)絡(luò)形式和訓(xùn)練樣本集選擇的影響，不太利于工程 應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種基于高頻地波雷達(dá)回波一階和二階譜區(qū)內(nèi)的線譜分量 強(qiáng)度直接估計(jì)海面風(fēng)速的方法和裝置，以大幅度提升利用高頻地波雷達(dá)估計(jì)海面風(fēng)速的精 度。
[0006] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：
[0007] -種基于雷達(dá)回波中線譜強(qiáng)度估計(jì)海面風(fēng)速的方法，包括如下步驟：
[0008] 步驟1、根據(jù)雷達(dá)測(cè)得的數(shù)據(jù)，計(jì)算得到標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速V(](t);
[0009] 步驟2、根據(jù)步驟1中的雷達(dá)測(cè)得的數(shù)據(jù)，得到最強(qiáng)一階峰譜點(diǎn)幅度的時(shí)間序列 pBi(：(t)和相應(yīng)二次諧振峰幅度的時(shí)間序列pSi(](t)，并根據(jù)已獲得的標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速V(](t)，其中t 是時(shí)間，分別按模型公式l〇g/h.n⑴=+ /Uk⑴]和!OgA,,⑴="、+,//、[ν·(ι(/)]Λ進(jìn)行擬合， 估計(jì)得到兩組模型參數(shù)（αΒ，βΒ，γΒ)和（as，0S，ys);
[0010] 步驟3、在正式觀測(cè)階段，根據(jù)測(cè)得的各場(chǎng)回波多普勒譜數(shù)據(jù)，得到最強(qiáng)一階峰 譜點(diǎn)的幅度PB和相應(yīng)二次諧振峰的幅度PS，然后分別由匕={[Log% - %]/美}1;^和 心=Ul〇g& -cO/反丨1Λ得到兩個(gè)風(fēng)速估計(jì)值心和·
[0011] 步驟4、根據(jù)已得到的兩個(gè)風(fēng)速估計(jì)值％和1，求得加權(quán)和，即為最終的海面風(fēng)速， 艮+ws之，其中WB+WS = 1，且wB〈ws。
[0012] 其中，所述步驟1、根據(jù)雷達(dá)測(cè)得的數(shù)據(jù)，計(jì)算得到標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速V(](t)，具體為：
[0013] 利用雷達(dá)覆蓋區(qū)內(nèi)的現(xiàn)場(chǎng)浮標(biāo)實(shí)測(cè)風(fēng)速作為標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速V(](t)或者在雷達(dá)測(cè)得的含 有較強(qiáng)二階譜的近距離元上由常規(guī)二階譜方法估計(jì)的風(fēng)速作為標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速V(](t)。
[0014] 其中，在步驟2中，所述根據(jù)步驟1中的雷達(dá)測(cè)得的數(shù)據(jù)，得到最強(qiáng)一階峰譜點(diǎn)幅 度的時(shí)間序列PBi(](t)和相應(yīng)二次諧振峰幅度的時(shí)間序列pSi(](t)，具體為：
[0015] 根據(jù)步驟1中的雷達(dá)測(cè)得的數(shù)據(jù)，對(duì)各場(chǎng)回波多普勒譜，在標(biāo)準(zhǔn)布拉格頻率附近 搜索到最強(qiáng)一階峰譜點(diǎn)的位置，并依據(jù)頻率關(guān)系得到相應(yīng)二次諧振峰的位置；
[0016] 根據(jù)獲得的強(qiáng)一階峰譜點(diǎn)的位置和二次諧振峰的位置，分別得到最強(qiáng)一階峰譜點(diǎn) 幅度的時(shí)間序列PBj(t)和相應(yīng)二次諧振峰幅度的時(shí)間序列Pu(t)，其中t是時(shí)間。
[0017] 其中，在步驟3中，所述根據(jù)測(cè)得的各場(chǎng)回波多普勒譜數(shù)據(jù)，得到最強(qiáng)一階峰譜點(diǎn) 的幅度PB和相應(yīng)二次諧振峰的幅度Ps，具體為：
[0018] 根據(jù)測(cè)得的各場(chǎng)回波多普勒譜數(shù)據(jù)，在標(biāo)準(zhǔn)布拉格頻率附近搜索到最強(qiáng)一階峰譜 點(diǎn)的位置，并依據(jù)頻率關(guān)系得到相應(yīng)二次諧振峰的位置；
[0019] 根據(jù)獲得的強(qiáng)一階峰譜點(diǎn)的位置和二次諧振峰的位置，分別得到最強(qiáng)一階峰譜點(diǎn) 的幅度PB和相應(yīng)二次諧振峰的幅度Ps。
[0020] 其中，在給定的雷達(dá)工作頻率下，選擇觀測(cè)海域內(nèi)的某歷史數(shù)據(jù)集合，包括雷 達(dá)回波數(shù)據(jù)和觀測(cè)海域內(nèi)的現(xiàn)場(chǎng)浮標(biāo)或者衛(wèi)星數(shù)據(jù)，風(fēng)速值應(yīng)覆蓋較寬的范圍，并包括 若干個(gè)完整的風(fēng)速發(fā)展過(guò)程；選取風(fēng)的來(lái)向或去向包含在雷達(dá)視角范圍之內(nèi)的數(shù)據(jù)時(shí) 亥|J，設(shè)浮標(biāo)記錄風(fēng)向?yàn)?wind，雷達(dá)視角范圍左右邊界分別為0lrft和Θ"ght，則需要滿足 9 left〈9 wind〈9 right或9 left〈9 wind+π〈9 right。
[0021] -種基于雷達(dá)回波中線譜強(qiáng)度估計(jì)海面風(fēng)速的裝置，包括：
[0022] 標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速計(jì)算單元，用于根據(jù)雷達(dá)測(cè)得的數(shù)據(jù)，計(jì)算得到標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速V。(t);
[0023] 模型參數(shù)計(jì)算單元，用于根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速計(jì)算單元測(cè)得的雷達(dá)數(shù)據(jù)，得到最強(qiáng) 一階峰譜點(diǎn)幅度的時(shí)間序列PBi(](t)和相應(yīng)二次諧振峰幅度的時(shí)間序列pSi(](t)，并根 據(jù)已獲得的標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速V。(t)，其中t是時(shí)間，分別按模型公式log/7, " (/)=~+A[ν'。⑴]3 和log/7s,A) = ?、+八!>。(/)]:_'進(jìn)行擬合，估計(jì)得到兩組模型參數(shù)（αΒ，βΒ，γΒ)和 (αs,βs,Υs)；
[0024] 風(fēng)速分量計(jì)算單元，用于在正式觀測(cè)階段，根據(jù)測(cè)得的各場(chǎng)回波多普勒 譜數(shù)據(jù)，得到最強(qiáng)一階峰譜點(diǎn)的幅度？ 8和相應(yīng)二次諧振峰的幅度ps，然后分別由 乙=i[l0g& - %]/爲(wèi)丨1 "和€ =i[L0g& - &得到兩個(gè)風(fēng)速估計(jì)值各:和
[0025] 海面風(fēng)速獲取單元，用于根據(jù)已得到的兩個(gè)風(fēng)速估計(jì)值心和ls.，求得加權(quán)和，即為 最終的海面風(fēng)速，即f=^'義+1仏，其中wB+ws= 1，且wB〈ws。
[0026] 其中，所述標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速計(jì)算單元，具體用于利用雷達(dá)覆蓋區(qū)內(nèi)的現(xiàn)場(chǎng)浮標(biāo)實(shí)測(cè)風(fēng)速 作為標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速V(](t)或者在雷達(dá)含有較強(qiáng)二階譜的近距離元上由常規(guī)二階譜方法估計(jì)的風(fēng) 速作為標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速％ (t)。
[0027] 其中，所述根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)