[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

说明书

本发明公开了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，包括以下步骤：划分扇形待测海洋单元；提取单一频率高频雷达的扇形待测海洋单元回波多普勒谱的较强侧一阶峰；并分离出对应的外二阶谱区域，计算该区域与较强侧一阶峰能量的比值；对该外二阶谱区域线性化，获取单频率雷达海洋回波的无向海浪谱系数矩阵；对于不同的雷达发射频率，重复上述步骤，得到多频率雷达海洋回波的无向海浪谱系数矩阵，通过奇异值分解求解其伪逆，反演无向海浪谱。本发明的优点在于，能够适应海况条件变化大的复杂多变海洋环境，满足多种海况下精确反演无向海浪谱的需要，解决了传统单一频率高频雷达反演无向海浪谱精确度不高，性能受海况限制的问题。

技术领域

本发明属于高频雷达海洋遥感领域，具体涉及一种利用多频率高频雷达海洋回波反演无向海浪谱的方法。

背景技术

近年来，高频地波雷达广泛应用于海洋环境监测，其具有探测覆盖范围广、全天候、全天时且测量精确度高的特点。高频地波雷达通过沿海洋表面绕射传播且衰减极小的垂直极化电磁波与海洋表面相互作用产生Bragg散射，得到反映海洋表面状态的回波多普勒谱，进而可以提取丰富的海洋参数。其中最重要的海洋参数为海浪参数，包括浪高，浪周期等。目前提取浪高参数主要利用单频率高频雷达的海洋回波多普勒谱反演出无向海浪谱，再对无向海浪谱进行积分。但由于在高海况时，海洋回波二阶谱易发生饱和现象，导致无法与一阶谱分离；低海况时，海洋回波二阶谱能量较低，淹没在噪声基底中，因此利用单频率高频雷达提取海浪参数具有一定的局限性，无法满足多尺度的适应不同海况条件的海浪探测需要。为了拓宽海浪的探测范围和提高对浪高变化情形下测量的稳健性，有必要通过多频率高频雷达反演无向海浪谱的方式对复杂海况进行监测。

发明内容

本发明的目的在于解决传统单频率高频雷达反演无向海浪谱精确度不高，性能受海况限制和探测范围固定的问题，因此提出了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。

本发明的技术方案为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：本发明中涉及的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分别依次合并为矩阵R和矩阵A；

f

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。

作为优选，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；