[发明专利]一种利用小孔径高频雷达海洋回波反演浪高的方法

说明书

本发明提出了一种利用小孔径高频雷达海洋回波反演浪高的方法，包括以下步骤：获取待测距离环的宽波束回波多普勒谱；提取幅值最大的宽波束一阶谱及其附近宽波束外侧二阶谱，计算两者能量之比；计算海流情况下海浪波矢量幅值，结合雷达系统参数，进一步得到反演系数向量；重复计算获得每一多普勒角频率对应的反演系数向量，合并所有反演系数向量得反演系数矩阵，通过奇异值分解求其伪逆，反演得到无向海浪谱；再对该无向海浪谱积分获得有效浪高。本发明的优点在于，对海流影响不敏感，能够从宽波束回波多普勒谱中准确地反演出无向海浪谱，提升估计浪高参数的准确性，且本发明适用于拥有较小孔径的高频雷达，使用方便，具有发展应用前景。

技术领域

本发明属于高频雷达海洋遥感领域，具体涉及一种利用小孔径高频雷达海洋回波反演浪高的方法。

背景技术

高频雷达通过发射频率为3-30MHz的能够沿海洋表面绕射传播的高频段垂直极化电磁波来实现海洋环境参数监测。与传统的现场测量设备(如浮标，ADCP)相比，在探测风、浪、流等海洋参数方面，高频雷达具有测量覆盖面积大，超视距、无接触测量，能够连续、实时监测海洋表面参数等优点，适合用于长期、大面积的海洋环境参数监测。目前利用高频雷达进行海流参数探测的技术已经较为成熟，但是海浪参数的探测技术还未发展完善。现有高频地波雷达系统主要分为大型阵列式高频地波雷达(窄波束高频回波)和小型圆形接收阵列或便携式的小孔径高频地波雷达(宽波束高频回波)。从阵列式高频地波雷达获取的窄波束雷达回波多普勒谱中能够较为简单地反演出浪高参数，但阵列式的接收天线占地面积大，不易于选址和维护，且经济成本高。小孔径高频地波雷达占用空间小，易于架设和维护，且价格相对阵列式高频雷达更低廉。但由于海流的影响，宽波束高频雷达回波多普勒谱中的一阶峰和二阶谱均会展宽，从中提取海浪参数比窄波束高频雷达复杂。因此，有必要提出一种能够在海流导致的谱展宽影响下依旧能准确提取浪高参数的适用于小孔径高频雷达的反演浪高的方法。

发明内容

本发明的目的在于针对受海流影响导致难以从宽波束雷达回波多普勒谱中反演海浪信息且提取海浪参数准确度不高等问题，提出了一种从小孔径高频雷达海洋回波中反演浪高的方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案包括一种利用小孔径高频雷达海洋回波反演浪高的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：从小孔径高频雷达的宽波束回波数据中通过两次快速傅里叶变换获取宽波束雷达回波的距离多普勒谱，从宽波束雷达回波的距离多普勒谱中提取出每个待测距离环的宽波束回波多普勒谱；

步骤2：从每个待测距离环的宽波束回波多普勒谱中根据谱峰搜索法提取每个待测距离环的幅值最大的宽波束一阶谱，结合每个待测距离环的幅值最大的宽波束一阶谱的峰值角频率，从每个待测距离环的宽波束回波多普勒谱中进一步提取每个待测距离环的幅值最大的宽波束一阶谱附近的宽波束外侧二阶谱，计算每个待测距离环的幅值最大的宽波束一阶谱附近的宽波束外侧二阶谱与每个待测距离环的幅值最大的宽波束一阶谱能量之比；

步骤3：对于给定的多普勒角频率、雷达波矢量，采用牛顿迭代法求解等频线方程得到海流情况下与雷达波矢量发生二阶散射的两列海浪波矢量幅值；

步骤4：获取小孔径高频雷达的雷达波束与参考方向的多个夹角、小孔径高频雷达的角度分辨率，在小孔径高频雷达的雷达波束与参考方向的多个夹角中筛选出小孔径高频雷达的雷达波束与参考方向最大夹角，进一步结合海流情况下与雷达波矢量发生二阶散射的两列海浪波矢量幅值计算反演系数向量；

步骤5：对于幅值最大的宽波束一阶谱附近的宽波束外侧二阶谱对应的多普勒角频率区间内每个给定的多普勒角频率，重复计算所述的步骤3、步骤4得到每一个多普勒角频率对应的反演系数向量，合并每一个多普勒角频率对应的反演系数向量得到最终的反演系数矩阵。

步骤6：通过奇异值分解求出反演系数矩阵的伪逆，从每个待测距离环的宽波束回波多普勒谱数据中反演得到每个待测距离环的无向海浪谱；