[发明专利]基于风向区间限定的船载地波雷达无模糊风向估计方法

说明书

基于风向区间限定的船载地波雷达无模糊风向估计方法，包括提取一阶回波谱展宽范围内有效频点信息，建立风向与扩展因子曲线关系模型，提取谱图风向，通过分析风向与雷达波束的关系来初步估计风向区间，利用风向区间限定风向‑扩展因子曲线及其交点的位置关系来提取真实风向。该方法将风速、噪声、船速、海流等因素考虑在内，充分利用船载地波雷达一阶回波谱展宽范围内频点幅值信息随风向规律变化的特点，结合风向与雷达波束方位的关系来初步估计风向区间，实际风向必定落在风向区间内，进而将消除风向模糊问题转换为判断风向区间与两个相邻频点的风向‑扩展因子曲线的位置关系，实现船载地波雷达海洋表面风向的大范围测量。

技术领域

本发明涉及一种海面风向的测量方法，具体涉及一种基于风向区间限定的船载地波雷达海面风向大范围测量方法。

背景技术

海洋表面风场是海洋-大气动力系统中的重要因素，也是海浪形成的直接动力和全球及区域海洋环流的关键驱动。因此，准确地观测海面风场有利于监测海洋环境要素的变化和预报海洋气象灾害，对海洋航运、海洋工程建设以及海洋捕捞与养殖等具有非常重要的意义。海面风向是风场的一个重要要素，目前观测手段主要有传统现场监测和遥感遥测。传统现场监测主要是通过风向计、浮标等现场设备获取海面风向，具有测量精度高、测量时间间隔短等特点，但受观测手段的限制，只能获取传感器周边的风场资料，观测范围有限。相对而言，卫星散射计和地波雷达能够对较大范围的海面风场进行监测。其中，卫星散射计覆盖的区域最大，但也存在重访周期长、成本高等问题，且易受天气因素影响。而地波雷达虽覆盖的空间范围相对卫星较小，但能够实现海面风场的全天候连续实时监测。

地波雷达根据平台类型的不同可以分为岸基地波雷达和船载地波雷达。岸基地波雷达布设在海岸线上，需要利用大型接收天线阵列进行海面风向提取，占据稀缺的海岸线资源，且探测海域固定。而船载地波雷达布设在机动灵活的船载平台上，突破了岸基地波雷达探测区域固定的限制，进一步扩大了观测海域的范围，提高了雷达的适用性与灵活性，为大范围海面风场信息的监测提供了一种新的有效探测手段。

目前，应用船载地波雷达提取海面风向的方法近几年才被提出，且可以分为单站船载和多站船载两大类。在基于单站船载地波雷达风向反演方法中，往往通过假设观测海域的风向不变或缓慢变化，利用多个相邻波束风向值的相关性(Sun et al.,2015；Yao etal.,2017)或风向与展宽一阶回波谱的关系(周启豪等,2017)来消除风向模糊，但该方法均未考虑风速的影响，风向估计误差可能较大；此外，还可利用邻近海元的风向与扩展因子曲线的唯一交点来提取真实风向(Xie et al.,2018；)，但该方法对于雷达探测边缘海域估计存在大幅误差，并且由于背景噪声和测量误差的存在，风向与扩展因子曲线存在无交点的情况，此时该方法失效。对于多站船载地波雷达，可充分利用船载平台的运动特性，在提取同步探测区域中的真实风向更具有优势，理论上比单站船载地波雷达具有更高的准确性(Zhao et al.,2020)，但该方法对船载平台航行条件的要求较高，复杂度增加。

相关的参考文献如下：

[1]M.Sun,J.Xie,Z.Ji,and W.Cai,“Remote sensing of ocean surface winddirection with shipborne high frequency surface wave radar,”in Proc.IEEERadar Conf.,2015,pp.0039-0044.

[2]J.Xie,G.Yao,M.Sun,Z.Ji,G.Li,and J.Geng,“Ocean surface winddirection inversion using shipborne high-frequency surface wave radar,”IEEEGeosci.Remote Sens.Lett.,vol.14,no.8,pp.1283-1287,2017.