[发明专利]一种利用多频率高频雷达海洋回波反演无向海浪谱的方法

权利要求书

1.一种利用多频率高频雷达海洋回波反演无向海浪谱的方法，其特征在于，

步骤1：根据单一频率高频雷达参数决定的距离分辨率和角度分辨率，将雷达探测区域等间距、等角度划分为多个扇形待测海洋单元；

步骤2：将单一频率高频雷达获取的原始回波数据依次通过第一次FFT距离变换处理，第二次FFT多普勒变换处理、数字波束形成运算，得到扇形待测海洋单元的回波多普勒谱，通过谱峰搜索的方法从扇形待测海洋单元的回波多普勒谱中提取正一阶峰、负一阶峰，并选取峰值较大的一阶峰即为较强侧一阶峰，记为σ_R⁽¹⁾(ω)；

步骤3：提取单一频率高频雷达的扇形待测海洋单元的回波多普勒谱的二阶谱，进而根据多普勒频率范围分离出较强侧一阶峰的外二阶谱区域；

步骤4：计算单一频率高频雷达的扇形待测海洋单元中回波多普勒谱的较强侧一阶峰的外二阶谱区域与较强侧一阶峰能量的比值R_f(ω)；

步骤5：根据一阶和二阶谱方程，对在较强侧一阶峰附近外二阶谱区域能够被线性化的范围内的外二阶谱区域线性化，以计算单一频率高频雷达海洋回波的无向海浪谱系数矩阵；

步骤6：多频率高频雷达系统可获得多个频率的雷达海洋回波，联合不同频率的雷达海洋回波，重复上述步骤2到步骤5，并将得到的较强侧一阶峰的外二阶谱区域与较强侧一阶峰能量的比值R_f(ω)、无向海浪谱系数矩阵A_f分别依次合并为矩阵R和矩阵A；

步骤3所述扇形待测海洋单元的回波多普勒谱的二阶谱为海浪与雷达发射电磁波的二阶散射形成的一阶峰周围分布的幅值比一阶谱低的连续谱；

所述步骤3包括如下子步骤：

步骤3-1：划分较强侧一阶峰的内外二阶谱区域；较强侧一阶峰σ_R⁽¹⁾(ω)的外二阶谱区域的频率范围满足如下关系：

较强侧一阶峰的内二阶谱区域的频率范围满足如下关系：

其中，ω为海浪多普勒频率，为Bragg频率，k₀为高频雷达发射频率对应的波数，ω_c+为正一阶峰的中心频率，ω_c-为负一阶峰的中心频率，

步骤3-2：若通过步骤2得到的较强侧一阶峰为正一阶峰，则以扇形待测海洋单元的回波多普勒谱的较强侧一阶峰的中心频率点ω_c+作为多普勒频率起始点，然后以一个截止频率1.4ω_B作为终点，提取频率区间(ω_c+,1.4ω_B]内扇形待测海洋单元的回波多普勒谱σ(ω)，并对区间(ω_c+,ω_R+]内扇形待测海洋单元的回波多普勒谱σ(ω)置零，即为较强侧一阶峰的外二阶谱区域σ_R⁽²⁾(ω)；

若通过步骤2得到的较强侧一阶峰为负一阶峰，则以扇形待测海洋单元的回波多普勒谱的较强侧一阶峰的中心频率点ω_c-作为多普勒频率起始点，然后以一个截止频率-1.4ω_B作为终点，提取频率区间[-1.4ω_B,ω_c-)内扇形待测海洋单元的回波多普勒谱σ(ω)，并对区间[ω_R-,ω_c-)内扇形待测海洋单元的回波多普勒谱σ(ω)置零，即为较强侧一阶峰的外二阶谱区域σ_R⁽²⁾(ω)；

所述步骤4具体步骤为：

其中，下标f为雷达发射频率，σ_R⁽¹⁾(ω)为较强侧一阶峰，σ_R⁽²⁾(ω)为较强侧一阶峰的外二阶谱区域，ω_L+和ω_R+为正一阶峰的多普勒频率起始点，ω_L-和ω_R-为负一阶峰的多普勒频率起始点，Δω为回波多普勒谱的频率分辨率；

所述步骤5所述计算单一频率高频雷达海洋回波的无向海浪谱系数矩阵，包括如下子步骤：

步骤5-1：对外二阶谱区域σ_R⁽²⁾(ω)进行线性化；

在较强侧一阶峰σ_R⁽¹⁾(ω)附近满足ω_B|ω|≤1.4ω_B条件的多普勒频率ω处，与雷达发射电磁波产生二阶散射的两列海浪中有一列近似与Bragg波矢量相等，于是可对外二阶谱区域σ_R⁽²⁾(ω)进行线性化，得到线性化后的外二阶谱区域σ_RL⁽²⁾(ω)：

其中，Γ为耦合系数，为有向海浪谱，k₀为高频雷达发射频率对应的波数，k和k'分别为和高频雷达发射电磁波发生二阶散射的两列海浪的波数，θ为海浪波矢量与雷达波矢量的夹角，Δθ为夹角间隔，y、y*和h是为了方便计算定义的中间变量，g为重力加速度，y*为ω-h＝0表征的等频线的解；若m＝m'＝1，则σ_R⁽²⁾(ω)表示正一阶峰的外二阶谱区域；若m＝m'＝-1，则σ_R⁽²⁾(ω)表示负一阶峰的外二阶谱区域；

步骤5-2：计算线性化后的外二阶谱区域σ_RL⁽²⁾(ω)和较强侧一阶峰σ_R⁽¹⁾(ω)能量之比的理论值，进而获取单一频率高频雷达海洋回波的有向海浪谱系数矩阵A(θ)；

σ_R⁽¹⁾(ω)为正一阶峰时

σ_R⁽¹⁾(ω)为负一阶峰时

其中，A_f(θ)为单一频率高频雷达海洋回波的有向海浪谱系数矩阵，下标f为雷达发射频率，为有向海浪谱，k为与高频雷达发射电磁波发生二阶散射的一列海浪的波数，θ为海浪波矢量与雷达波矢量的夹角，Δθ为夹角间隔，较强侧一阶峰的理论值为:

_R⁽¹⁾(ω)为正一阶峰时

_R⁽¹⁾(ω)为负一阶峰时则单一频率高频雷达海洋回波的有向海浪谱系数矩阵A_f(θ)为：

其中，Γ为耦合系数，k₀为高频雷达发射频率对应的波数，k和k'分别为和高频雷达发射电磁波发生二阶散射的两列海浪的波数，θ为海浪波矢量与雷达波矢量的夹角；y、y*和h是为了方便计算定义的中间变量，g为重力加速度，y*为ω-h＝0表征的等频线的解；

步骤5-3：将θ在[0,2π]区间上等间隔划分为多份并对式中的θ进行求和，进而得到单一频率高频雷达海洋回波的无向海浪谱系数矩阵A的值，其计算式如下：

其中，A_f(θ)为单一频率高频雷达海洋回波的有向海浪谱的系数矩阵，下标f为雷达发射频率，θ为海浪波矢量与雷达波矢量的夹角,Δθ为夹角间隔，G(θ)为有向海浪谱的方向因子；

所述步骤6的具体实现过程如下：

对于多个频率的雷达海洋回波，将得到的单一频率高频雷达海洋回波的较强侧一阶峰的外二阶谱区域与较强侧一阶峰能量的比值R_f(ω)、无向海浪谱系数矩阵A_f分别依次合并为矩阵R和矩阵A；计算表达式如下：

其中，S(k)为无向海浪谱，分别为从频率f₁MHz、f₂MHz、f₃MHz、f₄MHz的雷达海洋回波中提取的较强侧一阶峰的外二阶谱区域与较强侧一阶峰能量的比值，分别为频率f₁MHz、f₂MHz、f₃MHz、f₄MHz的雷达海洋回波的无向海浪谱系数矩阵；融合多频率雷达海洋回波后的较强侧一阶峰的外二阶谱区域与较强侧一阶峰能量的比值矩阵R和无向海浪谱系数矩阵A分别为和

步骤7所述反演无向海浪谱：

S(k)＝A⁺R

所述步骤7的具体实现过程如下：

由于融合多频率雷达海洋回波后的海浪谱系数矩阵A非方阵，只能求其的矩阵伪逆A⁺；因此可以对融合多频率雷达海洋回波后的海浪谱系数矩阵A进行奇异值分解，A＝U∑V^T，则可以得到A的伪逆A⁺＝V∑^-1U^T，进而通过式S(k)＝A⁺R可以反演出无向海浪谱S(k)；

步骤7：采用奇异值分解的方式求解融合多频率雷达海洋回波后的无向海浪谱系数矩阵A的伪逆，进而反演出无向海浪谱。

2.根据权利要求1所述的利用多频率高频雷达海洋回波反演无向海浪谱的方法，其特征在于，

步骤2所述扇形待测海洋单元的回波多普勒谱定义为：σ(ω)，ω表示由海浪相对雷达运动产生的海浪多普勒频率，σ(ω)表示不同海浪多普勒频率ω处的海浪能量分布情况；

通过谱峰搜索的方法从扇形待测海洋单元的回波多普勒谱中提取正一阶峰、负一阶峰；一阶峰σ⁽¹⁾(ω)定义为当海浪波长为雷达波长一半且海浪指向或背离雷达传播，产生Bragg散射，进而形成回波多普勒谱中以零频为中心大致对称的两个尖峰；具体步骤为:

搜索扇形待测海洋单元的回波多普勒谱[0.6ω_B,1.4ω_B]的多普勒频率区间内幅值最大点作为正一阶峰的峰值点，正一阶峰的峰值点对应多普勒频率记为ω_P+；

为Bragg频率，其中k₀为高频雷达发射频率对应的波数，g为重力加速度；

向正一阶峰的峰值点内侧，即频率区间满足ω_P+-0.2ω_B≤ω＜ω_P+的多普勒谱区域，搜索局部极小值点，正一阶峰的峰值点内侧局部极小值点对应多普勒频率记为ω_L+；

向正一阶峰的峰值点外侧，即频率区间满足ω_P+＜ω≤0.2ω_B+ω_P+的多普勒谱区域，搜索局部极小值点，正一阶峰的峰值点外侧局部极小值点对应多普勒频率记为ω_R+；

截取多普勒频率在[ω_L+,ω_R+]区间内的扇形待测海洋单元的回波多普勒谱作为正一阶峰；

搜索扇形待测海洋单元的回波多普勒谱[-1.4ω_B,-0.6ω_B]的多普勒频率区间内幅值最大点作为负一阶峰的峰值点，负一阶峰的峰值点对应多普勒频率记为ω_P-；

向负一阶峰的峰值点内侧，即频率区间满足ω_P-＜ω≤ω_P-+0.2ω_B的多普勒谱区域，搜索局部极小值点，负一阶峰的峰值点内侧局部极小值点对应多普勒频率记为ω_L-；

向负一阶峰的峰值点外侧，即频率区间满足ω_P--0.2ω_B≤ω＜ω_P-的多普勒谱区域，搜索局部极小值点，负一阶峰的峰值点外侧局部极小值点对应多普勒频率记为ω_R-；

截取多普勒频率在[ω_R-,ω_L-]区间内的扇形待测海洋单元的回波多普勒谱作为负一阶峰；

比较正一阶峰的峰值点、负一阶峰的峰值点的幅值大小，幅值较大处作为较强侧一阶峰σ_R⁽¹⁾(ω)。