[发明专利]双极化X波段雷达海浪参数测量系统

权利要求书

1.一种双极化X波段雷达海浪参数测量系统，包括一雷达，其特征在于，

所述雷达由雷达主机及与雷达主机通讯连接的双极化天线组成；

所述雷达主机一输入端与雷达控制单元连接，接收控制单元的控制信号；

所述雷达主机一输出端与显示器连接，显示未处理的海杂波视频信号；

所述雷达主机另一输出端通过通讯接口与计算机的数据采集模块连接；

所述数据采集模块采集雷达主机输出的视频信号，并将视频信号转换为数字信号存储于计算机的存储单元，计算机通过数据处理程序处理数字信号，通过显示单元显示海浪参数信息；

所述计算机通过I/O接口与极化切换控制模块连接，所述计算机通过极化切换控制模块与双极化天线控制连接；

所述双极化天线一端与雷达主机通讯连接，另一端通过与极化切换控制模块连接。

2.根据权利要求1所述双极化X波段雷达海浪参数测量系统，其特征在于，所述计算机数据处理程序中垂直极化雷达数据的调制传递函数确定步骤如下：

第一步，采集海表面图像数据

通过垂直极化天线扫描海表面，将雷达采集的回波数据存储于计算机存储单元(本例为磁盘阵列)。

第二步，雷达三维波数频率图像谱计算

选择连续32幅雷达图像序列应用三维离散傅里叶变换获得三维波数频率图像谱，即

P(k_x，k_v，ω)＝|FFT(I(x，y，t))|²   (1)

公式(1)中，P为三维波数频率谱，I为雷达图像序列。x，y为二维坐标系，t为时间序列。k_x和k_y为波数k的x和y方向的两个分量，ω为角频率。

第三步，流速，流向估算

基于受多普勒影响的重力波弥散方程，应用最小二乘法原理迭代估算流速和流向，即流速和流向估算公式如下。

uxuy=ΣP·kx2ΣP·kxkyΣP·kxkyΣP·ky2-1·ΣP·kx(ω-g|k→|tanh(|k→|)d)ΣP·ky(ω-g|k→|tanh(|k→|)d)---(2)]]>

公式(2)中，u_x和u_y是流速的x和y方向的分量。g为重力加速度，ω为角频率，k为波数，k_x和k_y是波数k的x和y方向的分量，d为水深。P为三维波数频率谱。

第四步，雷达二维图像谱计算

由估算的流速和流向，根据受多普勒影响的弥散方程对雷达三维波数频率谱积分滤波，获得雷达二维波数谱。

Ψr(kx,ky)=2∫ω>0P(k→,ω)·δ(ω-g·ktanh(kh)-k→·u→)dω---(3)]]>

公式(3)中，Ψ_r(k_x，k_y)是二维雷达波数谱，P为三维雷达波数频率谱，g为重力加速度，ω为角频率，k为波数，k_x和k_y是波数k的x和y方向的分量，d为水深。为表面流速向量。

第五步，雷达一维波数谱计算

根据海浪谱之间的转换关系，计算雷达一维波数谱。即，

Fr(k)=∫-ππΨr[k→]·kdθ---(4)]]>

公式(4)中，为雷达二维波数谱，k为波数，F_r(k)为雷达一维波数谱。

第六步，浮标一维频谱估算

由浮标观测记录的海表面的波面位移序列x(t)，观测时间约为17分钟，0.5秒采样间隔，记录2048个波面位移值。根据经典的相关函数法估算浮标一维频谱。具体步骤如下，

首先，计算相关函数

R(υΔt)=1N-υΣn=1N-υx(tn+υΔt)x(tn)---(5)]]>

τ＝υΔt，υ＝0，1，2，…m

公式(5)中R为相关函数值，Δt为采样间隔，N＝2048.

第二，粗谱的估算

Ln=2Δtπ[12R(0)+Συ=1m-1R(υΔt)cosπυnm+12R(mΔt)cosπn]---(6)]]>

n＝0，1，2，…，m

公式(6)中L为粗谱值，R为相关函数值。

第三，粗谱的平滑

S(ω)＝0.25L_n-1+0.5L_n+0.25L_n+1   (7)

公式(7)中S(ω)是浮标一维频率谱，L为粗谱值。

第七步，浮标一维波数谱计算

由一维频率谱计算一维波数谱

Fis(k)=S[ω(k)]dωdk---(8)]]>

公式(8)中F_is(k)是浮标一维波数谱，S(ω)为浮标一维频率谱。

第八步，调制传递函数的定义

|M(k)|²＝F_r(k)/F_is(k)    (9)

公式(9)中|M(k)|²为调制传递函数，为F_r(k)雷达一维波数谱，F_is(k)为浮标一维波数谱。

第九步，调制传递函数指数值的确定

根据具有指数幂形式(即，|M(k)|²∝k^β)的调制传递函数，利用现场实验数据拟合调制传递函数参数。

对调制传递函数两边去对数，即

log(|M(k)|²)＝β·log(k)   (10)

公式(10)中，k为波数，|M(k)|²为调制传递函数。β根据浮标和雷达观测数据利用最小二乘法拟合获得。

第十步，二维海浪谱的修正

利用估算的垂直极化调制传递函数对根据多普勒影响的重力波弥散关系获得的雷达二维图谱进行修正；经过垂直极化调制函数修正后的海浪谱能提高海浪参数估算的准确度和精度。