CN102538768A - 一种基于双频高频地波雷达的浅海水深测量方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于双频高频地波雷达的浅海水深测量方法，利用双频高频地波雷达进行浅海水深测量。在浅水条件下，水深对海洋表面径向流探测结果会产生影响，其Bragg峰的位置会随着水深的减小向零频靠近。本发明基于这种影响构造一个新的关于水深的单调函数，利用双频高频地波雷达两个工作频率对同一位置海洋表面径向流的多普勒频移的测量结果计算水深。本发明的技术方案提出了一种新的探测水深的方法，使双频高频地波雷达在进行海洋动力学要素探测的同时就能实现浅海水深的测量；能进行大面积的浅水水深探测，运算量小，具有较好的精度和稳健性。

Description

一种基于双频高频地波雷达的浅海水深测量方法
技术领域
本发明涉及雷达测量领域，尤其是一种利用双频高频地波雷达进行浅海水深测量的方法。
背景技术
浅海水深测量对浅海石油勘测与开发、海底输油管道与通讯电缆的埋设、海上交通运输与海洋渔业、海水养殖、近海经济和海洋救护等具有十分重要的意义。传统的海洋测深技术是以船只为平台,采用声纳技术进行。由于时间和经费的限制,以及存在船只无法进入的地区,使得传统的测深技术在广阔的近海海域受到了一定的限制。人们一直在寻找一种既快又便宜的浅海水深测量方法。
随着遥感技术的发展，利用海水可见光遥感反射率、高光谱遥感幅亮度进行水深测量的卫星遥感技术逐步发展成熟，但这种技术只能在水色清澈的海域和白天进行，应用受到很大的限制。另外，星载SAR也成为卫星海洋遥感观测的重要技术手段之一，它通过与工作波长接近的海表面微尺度共振而测量海面后向散射信号的幅值和时间相位信息，产生表征海面后向散射强度的高分辨率遥感图像进行水深反演，但SAR浅海地形遥感成像的前提是有较强潮流的存在和表面微尺度波的产生。
 高频地波雷达是近40年来发展起来的全天候、大面积探测海洋表面动力学要素和舰船目标的新技术。其探测海洋表面径向流的基本原理是根据Barrick提出的一阶海洋回波电磁散射理论对接收到的后向散射回波进行空间谱估计提取海流方向信息。然而在浅海海域，深水条件不能得到满足，会对海洋表面径向流的探测结果产生影响。
发明内容
本发明利用浅水条件下水深对海洋表面径向流探测结果的影响，提出了一种基于双频高频地波雷达的浅海水深测量方法。
本发明的技术方案为一种基于双频高频地波雷达的浅海水深测量方法，包括以下步骤：
步骤1，设双频高频地波雷达的工作频率为                                                
Figure 2012100055429100002DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 586847DEST_PATH_IMAGE002
，其中
Figure 933515DEST_PATH_IMAGE002
>，根据工作频率
Figure 256533DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 438116DEST_PATH_IMAGE002
确定一个关于水深
Figure 2012100055429100002DEST_PATH_IMAGE003
的单调函数，如下式一
Figure 2012100055429100002DEST_PATH_IMAGE005
其中，
Figure 917824DEST_PATH_IMAGE006
为重力加速度，为光速；
步骤2，双频高频地波雷达的两个工作频率
Figure 546252DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 582341DEST_PATH_IMAGE002
分别对同一位置海洋表面径向流的多普勒频移进行测量，利用探测结果计算单调函数
Figure 270811DEST_PATH_IMAGE004
的值，如下式二
Figure 94148DEST_PATH_IMAGE008
其中，
Figure 2012100055429100002DEST_PATH_IMAGE009
为频率
Figure 260688DEST_PATH_IMAGE001
探测的海洋表面径向流的多普勒频移，
Figure 479179DEST_PATH_IMAGE010
为频率
Figure 338551DEST_PATH_IMAGE002
探测的海洋表面径向流的多普勒频移；
步骤3，根据步骤2所得单调函数
Figure 947387DEST_PATH_IMAGE004
的值和式一，得到水深
Figure 183196DEST_PATH_IMAGE003
。
本发明的优势在于：提出了一种新的探测浅海水深的方法，使双频高频地波雷达在进行海洋动力学要素探测的同时就能实现浅海水深的测量；能进行大面积的浅水水深探测，运算量小，具有较好的精度和稳健性。 
附图说明
图1是本发明实施例的函数示意图。
具体实施方式   
以下结合附图和实施例详细说明本发明技术方案。
本发明的关键在于根据工作频率构造一个新的关于水深的单调函数，利用两个频率对同一位置的海洋表面径向流的探测结果进行水深计算。
在深水条件下，真实的海面可以用类似Fourier变换的方式分解成为正弦波列成分的叠加。对于岸基高频地波雷达，波长
Figure 256194DEST_PATH_IMAGE012
等于雷达电波波长一半的海浪会对电波产生最强的后向散射，这列海浪的传播相速度是确定的，相速度确定的话，它对电磁波所产生的多普勒频移就是确定的了，其多普勒频移称为Bragg峰（一阶峰），其大小为
                                     （1）          
其中
Figure 286467DEST_PATH_IMAGE006
为重力加速度，
Figure 444916DEST_PATH_IMAGE007
为光速，为雷达工作频率。
由于各类物理、化学过程的作用，海面上总是有海流存在，海流作为海水的整体运动，会在上面所说的由波浪传播相速度所导致的较大固定频移的基础上再附加一个由流速所导致的微小频偏，远离雷达的流速分量使Bragg峰向负频率方向偏移，接近雷达的流速分量使Bragg峰向正频率方向偏移，通过测量这个频偏就可以获取海流径向速度的大小。由径向流速引起的多普勒频移为
                     
Figure 2012100055429100002DEST_PATH_IMAGE015
                                         （2）                                
其中
Figure 84025DEST_PATH_IMAGE016
为径向流速，远离雷达为正。
那么Bragg峰的多普勒频移为
Figure 2012100055429100002DEST_PATH_IMAGE017
                           （3）
高频地波雷达直接测量的量是
Figure 222882DEST_PATH_IMAGE018
，然后通过（3）式就可以得到径向流速。径向流速的方向可以通过MUSIC等超分辨算法进行测量，首先构造谱点
Figure 118343DEST_PATH_IMAGE018
的协方差矩阵
Figure 2012100055429100002DEST_PATH_IMAGE019
                                      （4）
其中为
Figure 2012100055429100002DEST_PATH_IMAGE021
矩阵（谱点
Figure 600326DEST_PATH_IMAGE018
的接收数据），N为阵列天线数，K为采样帧数，H表示对矩阵进行共轭转置。然后对协方差矩阵
Figure 671050DEST_PATH_IMAGE022
进行特征分解得到噪声子空间
Figure 2012100055429100002DEST_PATH_IMAGE023
，最后通过最小优化算法实现方位测量，其公式为
Figure 786773DEST_PATH_IMAGE024
                      （5）
其中
Figure 2012100055429100002DEST_PATH_IMAGE025
为导向矢量，表示使目标函数
Figure DEST_PATH_IMAGE027
取最小值时的变量值；
Figure 169530DEST_PATH_IMAGE028
为按方位搜索找到的最小值，最小值对应的角度即为径向流速方位。MUSIC谱估计的公式为
Figure 2012100055429100002DEST_PATH_IMAGE029
                            （6）
其中
Figure 524288DEST_PATH_IMAGE030
为的倒数，当
Figure 761158DEST_PATH_IMAGE027
取最小值时
Figure 475036DEST_PATH_IMAGE030
得到最大值，该最大值对应的角度即为径向流速方位。
本技术领域的浅水条件一般指
Figure DEST_PATH_IMAGE031
，其中
Figure 582670DEST_PATH_IMAGE003
为水深，
Figure 102513DEST_PATH_IMAGE032
为工作频率对应的波长。
在浅水条件下，由于海水与海底的作用不能忽略不计，Bragg峰除了与工作频率
Figure 651306DEST_PATH_IMAGE014
有关外，还与水深
Figure 801664DEST_PATH_IMAGE003
有关，其大小
Figure DEST_PATH_IMAGE033
为
Figure 131014DEST_PATH_IMAGE034
                                   （7）
浅水条件下Bragg峰的多普勒频移
Figure DEST_PATH_IMAGE035
为
                         （8）
  当水深条件未知时，就不能通过（8）式求得径向流速
Figure 857848DEST_PATH_IMAGE016
。
  假设有一部岸基双频高频地波雷达架设在海边，其工作频率分别为和
Figure 605541DEST_PATH_IMAGE002
且满足
Figure DEST_PATH_IMAGE037
。
当探测区域的水深至少满足一个工作频率的浅水条件时就能测量水深，即
              
Figure 732766DEST_PATH_IMAGE038
                                                    （9）
其中
Figure 2012100055429100002DEST_PATH_IMAGE039
为频率
Figure 318468DEST_PATH_IMAGE001
对应的波长。
海面某一面元的水深为，满足水深测量条件，径向流速为
Figure 786676DEST_PATH_IMAGE016
，由（8）式可得
Figure 327378DEST_PATH_IMAGE040
                                 （10）
Figure 2012100055429100002DEST_PATH_IMAGE041
                                 （11）
其中，
Figure 767587DEST_PATH_IMAGE009
为频率
Figure 368333DEST_PATH_IMAGE001
探测的海洋表面径向流的多普勒频移，
Figure 893992DEST_PATH_IMAGE010
为频率
Figure 300702DEST_PATH_IMAGE002
探测的海洋表面径向流的多普勒频移。
令
Figure 798680DEST_PATH_IMAGE042
                                       （12）
由（10~12）式可得
Figure 304747DEST_PATH_IMAGE005
                 （13）
Figure 19500DEST_PATH_IMAGE004
是关于水深的单调函数。当
Figure 26639DEST_PATH_IMAGE001
=6MHz、
Figure 527195DEST_PATH_IMAGE002
=12MHz时，
Figure 204164DEST_PATH_IMAGE004
的函数图如图1所示，其中横坐标为水深（单位为m），纵坐标为
Figure 704415DEST_PATH_IMAGE004
的值（单位为Hz）。
实施例包括步骤如下：
步骤1，设双频高频地波雷达的工作频率为
Figure 452928DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 659919DEST_PATH_IMAGE002
，其中
Figure 835685DEST_PATH_IMAGE002
>
Figure 885550DEST_PATH_IMAGE001
，根据工作频率和确定一个关于水深
Figure 845918DEST_PATH_IMAGE003
的单调函数
Figure 992866DEST_PATH_IMAGE004
，如式（13）：
Figure 83182DEST_PATH_IMAGE005
其中，
Figure 264764DEST_PATH_IMAGE006
为重力加速度，
Figure 782333DEST_PATH_IMAGE007
为光速。
步骤2，双频高频地波雷达的两个工作频率
Figure 682156DEST_PATH_IMAGE001
和分别对同一位置海洋表面径向流的多普勒频移进行测量，利用测量结果计算单调函数
Figure 346673DEST_PATH_IMAGE004
的值，计算公式如式（12）：
Figure 35143DEST_PATH_IMAGE008
其中，
Figure 156683DEST_PATH_IMAGE009
为频率探测的海洋表面径向流的多普勒频移，
Figure 744976DEST_PATH_IMAGE010
为频率探测的海洋表面径向流的多普勒频移。
步骤3，根据步骤2所得单调函数的值和式13，得到水深
Figure 121097DEST_PATH_IMAGE003
。
具体实施时，首先采用双频高频地波雷达进行测量，双频高频地波雷达的两个工作频率
Figure 505679DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 473635DEST_PATH_IMAGE002
分别对同一位置的海洋表面径向流的多普勒频移进行测量，测量结果分别为
Figure 569767DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 343688DEST_PATH_IMAGE010
，将结果代入（12）式求出
Figure 474455DEST_PATH_IMAGE004
的值，最后由（13）式即可计算出水深
Figure 675629DEST_PATH_IMAGE003
。具体实现计算水深
Figure 993478DEST_PATH_IMAGE003
属于现有技术中的数学方法，可以通过单调函数
Figure 508773DEST_PATH_IMAGE004
计算函数关系表然后查表的方式求水深
Figure 556364DEST_PATH_IMAGE003
，或者通过迭代算法求解水深
Figure 866122DEST_PATH_IMAGE003
，本发明不予赘述。
虽然本发明描述的浅水测量方法是通过双频高频地波雷达实现的，但高频地波雷达的工作频率数超过2个时也一样适用。本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (1)

1.一种基于双频高频地波雷达的浅海水深测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，设双频高频地波雷达的工作频率为                                                
Figure 2012100055429100001DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 617711DEST_PATH_IMAGE002
，其中
Figure 952878DEST_PATH_IMAGE002
>
Figure 744116DEST_PATH_IMAGE001
，根据工作频率
Figure 822931DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 383225DEST_PATH_IMAGE002
确定一个关于水深的单调函数，如下式一
Figure 2012100055429100001DEST_PATH_IMAGE005
其中，
Figure 167827DEST_PATH_IMAGE006
为重力加速度，
Figure 2012100055429100001DEST_PATH_IMAGE007
为光速；
步骤2，双频高频地波雷达的两个工作频率
Figure 112649DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 527450DEST_PATH_IMAGE002
分别对同一位置海洋表面径向流的多普勒频移进行测量，利用探测结果计算单调函数
Figure 469998DEST_PATH_IMAGE004
的值，如下式二
Figure 970250DEST_PATH_IMAGE008
其中，
Figure 2012100055429100001DEST_PATH_IMAGE009
为频率
Figure 390867DEST_PATH_IMAGE001
探测的海洋表面径向流的多普勒频移，
Figure 925754DEST_PATH_IMAGE010
为频率
Figure 773624DEST_PATH_IMAGE002
探测的海洋表面径向流的多普勒频移；
步骤3，根据步骤2所得单调函数的值和式一，得到水深
Figure 985479DEST_PATH_IMAGE003
。
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