CN109884337B - 一种利用高频地波雷达探测海面风向的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用高频地波雷达探测海面风向的方法，属于高频地波雷达探测技术领域，包括以下步骤，根据海态单元的风向与雷达发射的波束方向夹角θ_w的绝对值|θ_w|，计算待求海态单元和与待求海态单元同一距离元左右相邻的多个海态单元的风向与所在波束方向夹角的绝对值|θ_w|_i,i＝1,2,...,m，其中m为待求海态单元和与待求海态单元同一距离元左右相邻的多个波束海态单元的总个数；并构成一个集合C；求取逼近的一次函数

且

计算待求海态单元的风向

根据所述k值的正负关系，判断所述待求海态单元的风向，得到所述待求海态单元的风向值，与现有技术比较，本发明避免了传统方法由于外界干扰对某一海态单元的影响而导致解模糊错误问题，方法更有效、抗干扰性更强。

Description

一种利用高频地波雷达探测海面风向的方法

技术领域

本发明涉及高频地波雷达探测技术领域，特别涉及一种利用高频地波雷达探测海面风向的方法。

背景技术

高频地波雷达，可以突破地球曲率的限制，探测到视线以下的目标，在雷达回波中往往掺杂着大量的干扰和噪声。海面回波是高频雷达目标探测中最主要的干扰之一，它的能量往往很高，严重影响目标的检测，应对其加以抑制；但从另一方面来讲，海面回波包含着大量的海态信息，是海态反演的主要检测对象。

大量的观测结果表明海面回波的产生机理可以由布拉格谐振原理来解释，即当高频电磁波照射到粗糙的海面上时，电磁波会与海面相互作用发生强烈的散射，从而产生一阶海面回波。理论上，一阶海面回波会在雷达回波RD谱的频率轴上形成一对关于零频对称的能量尖峰，即Bragg(布拉格)峰，通过计算左右Bragg峰幅度的比值，可以得到海面风场的风向信息。

风向的反演包括两部分，首先由海面回波谱的正负一阶Bragg峰提取风向与雷达波束夹角的绝对值；然后消除风向的模糊性。目前提取风向与雷达波束夹角的方法相对成熟，但消除风向模糊性的方法效果都不理想。现有的消除风向模糊性的方法中，包括多波束最小差值法，拟定相邻几个海态单元上测得的风向之差应在求和后等于零或近似等于零，但这种方法极有可能将相邻几个海态单元的风向同时解模糊错误；还包括利用待求海态单元和左右相邻波束上的海态单元与风向的夹角的大小关系来判断待求海态单元的风向可能值，但是这种方法抗干扰性不强，当待求海态单元与风向夹角或相邻波束海态单元与风向夹角中的任意一个测量出错时，会出现解模糊错误问题。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种利用高频地波雷达探测海面风向的方法，包括以下步骤：

步骤1，根据海态单元的风向与雷达发射的波束方向夹角θ_w的绝对值|θ_w|，计算待求海态单元和与待求海态单元同一距离元左右相邻的多个海态单元的风向与所在波束方向夹角的绝对值|θ_w|_i,i＝1,2,...,m，其中m为待求海态单元和与待求海态单元同一距离元左右相邻的多个波束海态单元的总个数；

步骤2，将步骤1获得的所述待求海态单元和与待求海态单元同一距离元左右相邻的多个海态单元的风向与所在波束方向夹角的绝对值|θ_w|_i,i＝1,2,...,m构成一个集合C；

步骤3,根据步骤2获得的所述集合C，求取逼近的一次函数

其中

为波束号，

为对应波束上海态单元的风向与波束方向夹角的绝对值，k为斜率且k不为0，b为截距；

步骤4，计算待求海态单元的风向

且

其中，

为所述待求海态单元的风向，

为所述待求海态单元所在波束的方向，|θ_w|_n为所述待求海态单元的风向与所在波束方向夹角的绝对值，±代表风向的不确定性；；

步骤5，根据步骤3得到的所述k值的正负关系，判断步骤4中所述待求海态单元的风向，得到所述待求海态单元的风向值。

较佳的，步骤5中判断所述待求海态单元的风向及获得所述待求海态单元的风向值的方法如下：

若k＞0，且当波束的角度依次增大时，该海态单元风向值为

当波束的角度依次减小时，该海态单元风向值为

若k＜0，当波束的角度依次增大时，该海态单元风向值为

当波束的角度依次减小时，判断该海态单元风向值为

其中所述波束的角度的增大或减小，以所述待求海态单元所在的波束方向为参考，在其顺时针方向的所述波束的角度为增大，在其逆时针方向的所述波束的角度为减小。

较佳的，步骤1中所述海态单元的风向与雷达发射的波束方向夹角的绝对值|θ_w|通过以下方法步骤获得：

步骤11，根据雷达的工作频率，并通过公式2计算理论布拉格频率f_B，所述公式2为

其中f₀为雷达的工作频率；

步骤12，根据雷达发射电磁波的波长，并通过公式3计算频偏的最大值Δf_m，所述公式3为

其中λ为雷达发射电磁波的波长，V_m为洋流径向流速的最大值；

步骤13，根据步骤12中求得的布拉格频偏的最大值Δf_m与步骤11中得到的理论布拉格频率f_B，确定一阶布拉格峰的搜索范围；

步骤14，在步骤13所述的一阶布拉格峰的搜索范围内确定正一阶布拉格峰和负一阶布拉格峰；

步骤15，根据公式4计算正一阶布拉格峰和负一阶布拉格峰幅度比值R，所述公式4为

其中B⁺为正一阶布拉格峰的幅度值，B^-为负一阶布拉格峰的幅度值。

步骤16，根据公式5以及步骤15得到的正一阶布拉格峰和负一阶布拉格峰幅度比值R，得到|θ_w|＝2arctan[10^R/(10s)]，所述公式5为R＝10lg[tan^s(|θ_w|/2)]，其中s为扩展因子，代表海浪关于风向的分散程度，s的取值范围为[2,16]。

较佳的，步骤12中所述洋流径向流速的最大值V_m通过雷达探测海域的海态数据经验获得。

较佳的，步骤13中所述一阶布拉格峰的搜索范围，包括正一阶布拉格峰的搜索范围和负一阶布拉格峰的搜索范围，且所述正一阶布拉格峰的搜索范围为[f_B-Δf_m,f_B+Δf_m]，所述负一阶布拉格峰的搜索范围为[-f_B-Δf_m,-f_B+Δf_m]。

较佳的，步骤14中所述正一阶布拉格峰和负一阶布拉格峰通过以下方式确定，在所述正一阶布拉格峰的搜索范围和所述负一阶布拉格峰的搜索范围内分别取幅度最大值点作为所述正一阶布拉格峰和所述负一阶布拉格峰。

较佳的，根据公式7计算步骤4中所述逼近的一次函数

中的k值和b值，所述公式7为

其中a_j为待求的逼近函数的系数，且a₁＝k,a₀＝b。

较佳的，所述公式7中X_jl和Y_l，通过公式8获得，所述公式8如下:

其中

和

为选定的线性无关函数，

x_i为第i个海态单元所在的波束号，y_i为第x_i波束上的海态单元的风向与波束方向夹角的绝对值|θ_w|_i，X_jl为m个点上的线性无关函数

和

的乘积之和，Y_l为m个点上的

和y_i的乘积之和。

与传统方法比较，本发明利用左右相邻多个海态单元上的数据信息求解风向值，提供了一种利用高频地波雷达探测海面风向的方法，避免了传统方法由于外界干扰对某一海态单元的影响而导致解模糊错误问题，方法更有效、抗干扰性更强。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明中一种利用高频地波雷达探测海面风向的方法流程图；

图2是本发明实施例1中第4波束第47距离门的多普勒回波谱图；

图3是本发明实施例1中第4波束第47距离门单元的风向求解示意图；

图4是本发明实施例1中风向反演结果示意图；

图5是本发明实施例2中第4波束第30距离门的多普勒回波谱图；

图6是本发明实施例2中第4波束第30距离门单元的风向求解示意图；

图7是本发明实施例2中风向反演结果示意图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明基于在一小块海域中风向是相同或缓变的这一规律，提供了一种利用高频地波雷达探测海面风向的方法，将待求海态单元和同一距离元左右相邻多个波束海态单元上风向与波束方向夹角的绝对值构成一个集合，求取逼近函数，根据逼近函数的变化规律来消除风向模糊得到真实风向，具体包括以下步骤：

步骤1，根据海态单元的风向与雷达发射的波束方向夹角θ_w的绝对值|θ_w|，计算待求海态单元和与待求海态单元同一距离元左右相邻的多个海态单元的风向与所在波束方向夹角的绝对值|θ_w|_i,i＝1,2,...,m，其中m为待求海态单元和与待求海态单元同一距离元左右相邻的多个波束海态单元的总个数；

步骤2，将步骤1获得的所述待求海态单元和与待求海态单元同一距离元左右相邻的多个海态单元的风向与所在波束方向夹角的绝对值|θ_w|_i,i＝1,2,...,m构成一个集合C；

步骤3,根据步骤2获得的所述集合C，求取逼近的一次函数

其中

为波束号，

为对应波束上海态单元的风向与波束方向夹角的绝对值，k为斜率且k不为0，b为截距；

步骤4，计算待求海态单元的风向

且

其中，

为所述待求海态单元的风向，

为所述待求海态单元所在波束的方向，|θ_w|_n为所述待求海态单元的风向与所在波束方向夹角的绝对值，±代表风向的不确定性，即当海面风向为

和

时，雷达观测到的一阶海面回波是相同的；

步骤5，根据步骤3得到的所述k值的正负关系，判断步骤4中所述待求海态单元的风向，得到所述待求海态单元的风向值。

其中，步骤1中所述海态单元的风向与雷达发射的波束方向夹角的绝对值|θ_w|通过以下方法步骤获得：

步骤11，根据雷达的工作频率，并通过公式2计算理论布拉格频率f_B，所述公式2为

其中f₀为雷达的工作频率；

步骤12，根据雷达发射电磁波的波长，并通过公式3计算频偏的最大值Δf_m，所述公式3为

其中λ为雷达发射电磁波的波长，V_m为洋流径向流速的最大值，且所述洋流径向流速的最大值V_m通过雷达探测海域的海态数据经验获得；且频偏代表实际布拉格峰相对于理论布拉格峰的偏移幅度，当海流的径向速度为0时，不会发生频偏，当海流的径向速度不为0时，则会发生频偏。

步骤13，根据步骤12中求得的布拉格频偏的最大值Δf_m与步骤11中得到的理论布拉格频率f_B，确定一阶布拉格峰的搜索范围，且所述一阶布拉格峰的搜索范围包括正一阶布拉格峰的搜索范围和负一阶布拉格峰的搜索范围，所述正一阶布拉格峰的搜索范围为[f_B-Δf_m,f_B+Δf_m]，所述负一阶布拉格峰的搜索范围为[-f_B-Δf_m,-f_B+Δf_m]；

步骤14，在步骤13所述的一阶布拉格峰的搜索范围内确定正一阶布拉格峰和负一阶布拉格峰，即在所述正一阶布拉格峰的搜索范围和所述负一阶布拉格峰的搜索范围内分别取幅度最大值点作为所述正一阶布拉格峰和所述负一阶布拉格峰；其中所述正一阶布拉格峰对应于朝向雷达方向的海浪，所述负一阶布拉格峰对应于远离雷达方向的海浪，两个布拉格峰的强度的大小反映了风向，当正一阶布拉格峰的强度大于负一阶布拉格峰的强度时，表现为风向背向波束方向，相反则表现为风向沿波束方向，两个峰的强度相同时，风向垂直于波束。

步骤15，根据公式4计算正一阶布拉格峰和负一阶布拉格峰幅度比值R，其中R为dB格式，所述公式4为

其中B⁺为正一阶布拉格峰的幅度值，B^-为负一阶布拉格峰的幅度值。

步骤16，根据公式5以及步骤15得到的正一阶布拉格峰和负一阶布拉格峰幅度比值R，得到|θ_w|＝2arctan[10^R/(10s)]，所述公式5为R＝10lg[tan^s(|θ_w|/2)]，其中s为扩展因子，代表海浪关于风向的分散程度，s的取值范围为[2,16]，本实施例中优选值为4。

其中步骤3中所述逼近的一次函数

中的k值和b值通过公式7获得，所述公式7为

其中a_j为待求的逼近函数的系数，且a₁＝k,a₀＝b，所述公式7中X_jl和Y_l，通过公式8获得，所述公式8如下:

其中

和

为选定的线性无关函数，

x_i为第i个海态单元所在的波束号，y_i为第x_i波束上的海态单元的风向与波束方向夹角的绝对值|θ_w|_i，X_jl为m个点上的线性无关函数

和

的乘积之和，Y_l为m个点上的

和y_i的乘积之和。

综上，若k＞0，真实风向与各个波束之间的夹角绝对值|θ_w|_i,i＝1,2,...,m呈现逐渐增大的趋势，当波束的角度依次增大时，该海态单元风向值为

即

当波束的角度依次减小时，该海态单元风向值为

即

若k＜0，真实风向与各个波束之间的夹角绝对值|θ_w|_i,i＝1,2,...,m呈现逐渐减小的趋势，当波束的角度依次增大时，该海态单元风向值为

即

当波束的角度依次减小时，该海态单元风向值为

即

其中所述波束的角度的增大或减小，以所述待求海态单元所在的波束方向为参考，在其顺时针方向的所述波束的角度为增大，在其逆时针方向的所述波束的角度为减小。

因此，本发明利用左右相邻多个海态单元上的数据信息求解风向值，提供了一种利用高频地波雷达探测海面风向的方法，避免了传统方法由于外界干扰对某一海态单元的影响而导致解模糊错误问题，方法更有效、抗干扰性更强。

实施例1

本实施例中采用的数据来源于某雷达实验站于2018年11月2日采集的某批数据，其中雷达的发射频率为8.4MHz，波数为7个。

图2第4波束第47距离门的多普勒回波谱图中，*点标注了Bragg峰的位置，同时可得到正负Bragg峰的幅度值。

图3中阴影区域单元B代表第4波束第47距离门单元，即待求海态单元，阴影区域单元A代表第3波束第47距离门单元，阴影区域单元C代表第5波束第47距离门单元，波束a、b和c的角度大小关系为

且求得A、B和C三个海态单元的正负一阶峰比值R_A、R_B和R_C分别为-6.4，-8.9，-10.6，A、B和C三个海态单元的风向与波束a、b和c的夹角绝对值|θ_A|、|θ_B|、|θ_C|分别为69.4度，61.6度，57.1度，由此得到的逼近函数为

此时k＜0，说明A、B和C三个海态单元风向与波束a、b和c之间的夹角绝对值呈现逐渐减小的趋势，而波束角度

得到该海态单元的风向值为

通常风向指风来的方向，通过图4可以看出，不同海态单元反演所得的风向相同或相近，大致为西南风，也与当天的气象预报相符。

实施例2

本实施例中采用的数据来源于某雷达实验站于2018年11月5日采集的某批数据，其中雷达的发射频率为5.1MHz，波数为7个。

图5第4波束第30距离门的多普勒回波谱中，*点标注了Bragg峰的位置，同时可得到正负Bragg峰的幅度值。

图6阴影区域单元B代表第4波束第30距离门单元，即待求海态单元，阴影区域单元A代表第3波束第30距离门单元，阴影区域单元C代表第5波束第30距离门单元，波束a、b和c的角度大小关系为

且求得A、B和C三个海态单元的正负一阶峰比值R_A、R_B和R_C分别为14.5，16.6，20.7，A、B和C三个海态单元的风向与波束a、b和c的夹角绝对值|θ_A|、|θ_B|、|θ_C|分别为133.1度，137.8度，146.2度，由此得到的逼近函数为

此时k＞0，说明A、B和C三个海态单元风向与波束a、b和c的夹角绝对值呈现逐渐增大的趋势，而波束角度

得到该海态单元的风向值为

通常风向指风来的方向，通过图7可以看出，不同海态单元反演所得的风向相同或相近，大致为北风，也与当天的气象预报相符。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种利用高频地波雷达探测海面风向的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，根据海态单元的风向与雷达发射的波束方向夹角θ_w的绝对值|θ_w|，计算待求海态单元和与待求海态单元同一距离元左右相邻的多个海态单元的风向与所在波束方向夹角的绝对值|θ_w|_i,i＝1,2,...,m，其中m为待求海态单元和与待求海态单元同一距离元左右相邻的多个波束海态单元的总个数；

步骤2，将步骤1获得的所述待求海态单元和与所述待求海态单元同一距离元左右相邻的多个海态单元的风向与所在波束方向夹角的绝对值|θ_w|_i,i＝1,2,...,m构成一个集合C；

步骤3,根据步骤2获得的所述集合C，求取逼近的一次函数

其中

为波束号，

为对应波束上海态单元的风向与波束方向夹角的绝对值，k为斜率且k不为0，b为截距；

步骤4，计算待求海态单元的风向

其中，

为所述待求海态单元的风向，

为所述待求海态单元所在波束的方向，|θ_w|_n为所述待求海态单元的风向与所在波束方向夹角的绝对值,±代表风向的不确定性；

步骤5，根据步骤3得到的所述k值的正负关系，判断步骤4中所述待求海态单元的风向，得到所述待求海态单元的风向值，包括：

若k＞0，且当波束的角度依次增大时，该海态单元风向值为

当波束的角度依次减小时，该海态单元风向值为

若k＜0，当波束的角度依次增大时，该海态单元风向值为

当波束的角度依次减小时，判断该海态单元风向值为

其中所述波束的角度的增大或减小，以所述待求海态单元所在的波束方向为参考，在其顺时针方向的所述波束的角度为增大，在其逆时针方向的所述波束的角度为减小。

2.根据权利要求1所述的利用高频地波雷达探测海面风向的方法，其特征在于，步骤1中所述海态单元的风向与雷达发射的波束方向夹角的绝对值|θ_w|通过以下方法步骤获得：

步骤11，根据雷达的工作频率，并通过公式2计算理论布拉格频率f_B，所述公式2为

其中f₀为雷达的工作频率；

步骤12，根据雷达发射电磁波的波长，并通过公式3计算频偏的最大值Δf_m，所述公式3为

其中λ为雷达发射电磁波的波长，V_m为洋流径向流速的最大值；

步骤13，根据步骤12中求得的布拉格频偏的最大值Δf_m与步骤11中得到的理论布拉格频率f_B，确定一阶布拉格峰的搜索范围；

步骤14，在步骤13所述的一阶布拉格峰的搜索范围内确定正一阶布拉格峰和负一阶布拉格峰；

步骤15，根据公式4计算正一阶布拉格峰和负一阶布拉格峰幅度比值R，所述公式4为

其中B⁺为正一阶布拉格峰的幅度值，B^-为负一阶布拉格峰的幅度值；

步骤16，根据公式5以及步骤15得到的正一阶布拉格峰和负一阶布拉格峰幅度比值R，得到|θ_w|＝2arctan[10^R/(10s)]，所述公式5为R＝10lg[tan^s(|θ_w|/2)]，其中s为扩展因子，代表海浪关于风向的分散程度，s的取值范围为[2,16]。

3.根据权利要求2所述的利用高频地波雷达探测海面风向的方法，其特征在于，步骤12中所述洋流径向流速的最大值V_m通过雷达探测海域的海态数据经验获得。

4.根据权利要求3所述的利用高频地波雷达探测海面风向的方法，其特征在于，步骤13中所述一阶布拉格峰的搜索范围，包括正一阶布拉格峰的搜索范围和负一阶布拉格峰的搜索范围，且所述正一阶布拉格峰的搜索范围为[f_B-Δf_m,f_B+Δf_m]，所述负一阶布拉格峰的搜索范围为[-f_B-Δf_m,-f_B+Δf_m]。

5.根据权利要求4所述的利用高频地波雷达探测海面风向的方法，其特征在于，步骤14中所述正一阶布拉格峰和负一阶布拉格峰通过以下方式确定，在所述正一阶布拉格峰的搜索范围和所述负一阶布拉格峰的搜索范围内分别取幅度最大值点作为所述正一阶布拉格峰和所述负一阶布拉格峰。

6.根据权利要求1所述的利用高频地波雷达探测海面风向的方法，其特征在于，根据公式7计算步骤3中所述逼近的一次函数

中的k值和b值，所述公式7为

其中a_j为待求的逼近函数的系数，且a₁＝k,a₀＝b，X_jl和Y_l通过公式8获得，所述公式8如下:

其中

和

为选定的线性无关函数，

x_i为第i个海态单元所在的波束号，y_i为第x_i波束上的海态单元的风向与波束方向夹角的绝对值|θ_w|_i,X_jl为m个点上的线性无关函数

和

的乘积之和，Y_l为m个点上的

和y_i的乘积之和。

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