[发明专利]双极化X波段雷达海浪参数测量系统

说明书

技术领域

本发明属于海洋动力要素监测领域，具体是能够实现实时采集海浪数据和实时提供海浪参数的双极化X波段雷达海浪参数测量系统。

背景技术

海浪是海洋中重要的物理参数之一，对海洋工程建设，军事活动以及海洋学研究有着重要的意义。海浪按其观测方法分为传统的现场直接观测和遥感观测两种方式。现场观测，例如，浮球、浮标等，其直接接触海水测量海浪参数，有单点测量，观测范围有限等缺点。而遥感观测，与传统的现场直接观测相比较具有观测范围大等优点，但也有相应的缺点，例如卫星重复采样率低，高频地波在近岸有几公里的盲区。X波段雷达海浪参数测量仪可以弥补它们的不足，具有较高的时间和空间分辨率，实时获得海浪参数的能力。X波段雷达海浪参数测量仪利用其海表面电磁回波的海杂波图像获得海浪参数，目前，已经进入商业化阶段X波段船用雷达观测海浪，海流参数的仪器有(例如德国的WaMoS II和挪威的WAVEX)，都是基于水平极化天线(HH)的船用导航雷达改装而成，船载雷达工作在掠地角，掠地角下的雷达成像机理十分复杂，几十年来，前辈们一直致力于研究掠地角下的雷达成像机制，实验结果和理论分析发现，在小风速和缺少重力波情况下，水平极化天线对海表面成像主要以离散的散射单元为主，而垂直极化天线对海表面的成像机理主要以分布纹理为主，这样的成像机理将影响水平极化雷达探测小波浪的能力，而垂直极化天线在小波浪探测能力上将会有很大的提高。在大风浪时，HH极化天线雷达回波中海尖峰信号较强烈，这些海尖峰信号可能来自于波浪破碎，束缚波等非布拉格散射信号，但对VV极化天线的雷达信号影响较小，这样，VV极化天线更适合于海浪参数的探测。但由于水平极化和垂直极化的成像机制不同，垂直极化更加有利于海浪的探测。在此背景下，我们研发了水平极化天线(HH)和垂直极化天线(VV)海浪测量仪，国内外利用水平极化天线和垂直极化天线的X波段雷达海浪测量仪没有公开过。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够全天候，快速、准确的获取近岸海杂波数据并实时提供海浪参数的双极化X波段雷达海浪参数测量系统。

为了实现上述目的本发明的采用技术方案如下：一种双极化X波段雷达海浪参数测量系统，包括一雷达，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。

所述双极化天线包括HH极化和VV极化，双极化天线为360度自由旋转结构。所述数据采集模块主要由A/D采集器合中断计数器组成；计算机中央处理器接收A/D采集器和中断计数器的数字信号通过存储单元存储。所述极化切换控制模块主要由波导开关和极化切换器组成，所述极化切换器通过计算机I/O接口与计算机中央处理器连接；所述极化切换器通过波导开关控制HH极化或VV极化连通。

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_y，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。