分布式高频天地波雷达海洋表面流反演算法研究

论文摘要

海洋表面流作为海洋环境监测的关键动力学参数之一,在渔业捕捞、海上救援、航海运输、油污排解、近岸工程和军事航行等方面都有着重要应用和研究价值。目前用于海洋表面流观测的设备主要包括高频雷达、漂流浮标、X波段雷达、星载/机载合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)等,其中高频雷达因时空分辨率高、成本低、探测距离远等优势被广泛应用。但高频地波雷达探测模式单一、覆盖范围受限,不利于远海和大范围的海流监测,促使了人们对具有更远探测能力的新体制雷达的研究。高频天地波雷达利用电离层对电磁波的反射作用,使电磁波照射远距离的海面后再被岸基雷达或海上移动平台接收,具有传播距离远、接收站布设灵活的特点,可以实现远距离、大范围的海域观测。因此,研究高频天地波雷达的海洋表面流探测技术具有重要的实践意义和应用前景。由于天地波模式下的电磁波传播路径复杂、回波数据受电离层污染严重,海洋表面流的反演工作中还存在诸多难题。现有的海流反演算法都是基于简易平面电离层模型和近似的天地波海浪散射机制,导致反演结果误差较大。为规避简易电离层模型的假设,提高天地波雷达海流探测精度,在“十二五”国家863项目“分布式高频超视距雷达探测与组网技术研究”的支持下,本文对分布式天地波雷达的海流反演算法进行了探索,围绕天地波雷达的海流探测基础、回波数据质量评估、一阶Bragg频率提取模型、天地波雷达海流反演算法等几个方面展开研究。主要完成的工作内容如下:1.天地波雷达的海流探测基础研究。首先分析了电离层薄层倾斜对距离探测的影响,表明电离层倾斜带来的探测误差不可忽略。其次,针对现有天地波雷达中用双基地模型近似的问题,重点研究了天地波模式下海浪的Bragg散射机制和散射模型的空间几何关系,确定了Bragg海浪方向以及海流产生多普勒的投影关系,从而修正了现有研究中天地波雷达海流计算的表达式,为海洋表面流的正确反演提供重要理论基础。仿真了天地波模式下的一阶海洋回波谱,并分析了电离层运动对回波谱的影响。最后介绍了天地波雷达信号预处理中的关键技术。以上研究结果是天地波雷达海洋探测的基础,对海流反演具有重要意义。2.天地波雷达的回波特性分析和数据质量评估。针对天地波雷达回波数据受电离层影响严重的问题,对“十二五”期间武汉大学采集的将近60天的天地波实验数据进行了全面的统计分析,分析对象包括直达波的反射虚高、谱宽、频移量、回波功率、方位角以及一阶海洋回波的谱宽和信噪比。根据大量数据分析得到的回波特征分布,提出了使用四项指标对天地波雷达数据质量进行评估的初步方案。其中,四项指标包括直达波频移量的拟合参数、直达波虚高标准差、直达波方位角估计误差以及一阶峰谱点的信噪比总和,分别表征电离层反射点的运动状态、回波谱距离维的抖动情况、回波相位污染程度以及海洋回波信号的接收情况。该工作首次对天地波雷达数据质量进行量化评估,提出了四项指标评估模型,为天地波雷达的海流反演工作提供了数据质量控制的判断准则。3.一阶Bragg频率提取模型。针对天地波雷达中因电离层状态未知导致一阶Bragg频率难以计算的问题,提出了基于傅里叶级数展开的一阶Bragg频率提取模型,并用地波单基地和地波双基地雷达的海流反演进行验证。该模型将一阶Bragg频率和径向流多普勒频移量展开为关于距离元和方位角的二维傅里叶级数形式,并利用海洋回波的正负谱点与Bragg频率、海流多普勒偏离量之间满足的关系式,构建超定线性方程组,然后利用最小二乘算法求解傅里叶级数展开式中的未知系数项,从而得到各个散射元对应的一阶Bragg频率值,并进一步计算径向流速。本文对该算法进行了模拟仿真和误差分析,评估了数据覆盖率、正负谱点匹配度对海流反演结果的影响,并用实测的地波单基地和地波双基地雷达数据进行验证,反演的海流结果与浮标数据进行了对比,流速均方根误差(Root Mean Square Error,RMSE)可达到8.8 cm/s。新算法在深水海域的探测精度与传统方法相当,在近岸海域的探测精度优于传统方法,证明了该模型的可行性和有效性。4.分布式高频天地波雷达的海流反演算法。针对电离层状态未知情况下,天地波雷达的双基地角、掠射角、散射元位置难以确定的问题,研究了基于傅里叶级数展开和双站联合遍历搜索的海流反演算法。该方法首先利用傅里叶级数展开模型提取了天地波雷达的一阶Bragg频率,其次利用遍历搜索方法确定了两接收站的公共散射元。并将已获得的与公共散射元对应的一阶Bragg频率和理论计算公式联立,求解出双基地角和掠射角。最后基于天地波模式下的海浪散射模型,计算出海流的流速和流向。本文将该算法用于天地波雷达实测数据的海流反演,反演结果与传统地波雷达观测的流场进行对比,在核心探测区域,两者流速和流向的RMSE可分别达到9.5 cm/s和9.5°。此外,针对天地波雷达因群距离元分辨率低导致遍历约束条件模糊的问题,提出了基于线性调频Z变换(Chirp Z Transform,CZT)的频谱细化方法,实现了对距离谱的细化。距离谱细化后的反演结果与地波雷达流场保持了较高的吻合度,核心探测区域流速和流向的RMSE可分别达到7.2 cm/s和8.6°,最大探测距离由原来的155 km提高到215 km。研究结果证实了天地波雷达远距离、大范围、高精度的海流探测能力。

论文目录

摘要

Abstract

第1章引言

1.1 研究背景和意义

1.2 研究历史与现状

1.2.1 地波雷达海流探测发展概述

1.2.2 分布式天地波雷达

1.2.2.1 分布式天地波雷达的发展

1.2.2.2 分布式天地波雷达海流反演现状

1.3 主要研究内容和章节安排

1.3.1 需要解决的问题

1.3.2 本文结构安排

第2章天地波雷达海流探测基础及信号预处理

2.1 引言

2.2 电离层电波传播

2.2.1 电离层简介

2.2.2 电离层电波传播基础

2.2.3 电离层镜面倾斜对距离探测的影响

2.3 天地波雷达Bragg散射机理

2.3.1 Bragg散射机理

2.3.2 天地波模式的一阶Bragg频率

2.3.3 天地波模式的Bragg散射几何关系

2.3.3.1 海浪相速度的投影

2.3.3.2 海流速度的投影

2.3.4 结论

2.4 天地波雷达一阶海洋回波谱仿真

2.4.1 天地波雷达一阶散射截面

2.4.2 一阶海洋回波谱仿真

2.4.3 电离层扰动对回波谱的影响

2.5 天地波雷达信号预处理

2.6 本章小结

第3章天地波雷达回波数据分析与评估

3.1 引言

3.2 分布式天地波雷达海洋探测实验

3.2.1 岸基分布式天地波雷达探测实验

3.2.2 船载分布式天地波雷达探测实验

3.3 天地波雷达回波特性分析

3.3.1 天波直达波日变化特性

3.3.2 天波直达波反射点运动分析

3.3.3 海洋回波特性

3.4 数据质量评估初步方案

3.5 本章小结

第4章基于傅里叶级数展开的一阶 Bragg 频率提取方法

4.1 引言

4.2 一阶Bragg频率提取模型

4.3 算法仿真与误差分析

4.3.1 傅里叶级数展开算法的模拟仿真

4.3.2 误差分析

4.4 海流反演算法在地波雷达中的应用

4.4.1 单基地雷达应用

4.4.2 双基地雷达应用

4.5 本章小结

第5章分布式高频天地波雷达的海流反演

5.1 引言

5.2 天地波海流反演关键技术

5.2.1 一阶Bragg频率的提取

5.2.2 定位原理

5.2.3 矢量流合成

5.2.4 平滑滤波

5.3 天地波雷达海流反演结果

5.3.1 反演结果

5.3.2 误差分析

5.4 基于CZT距离谱细化的海流反演

5.4.1 CZT频谱细化原理

5.4.2 CZT距离谱细化仿真分析

5.4.3 基于CZT的天地波海流反演

5.4.4 误差分析

5.5 本章小结

第6章总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

攻博期间的科研成果目录

致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 李苗

导师: 吴雄斌

关键词: 高频天地波雷达,海流反演,散射,电离层,傅里叶级数展开,遍历搜索

来源: 武汉大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 海洋学,电信技术

单位: 武汉大学

基金: 国家863计划中海洋领域的“十二五”重大课题“分布式高频地波雷达探测与组网技术研究”

分类号: TN958;P715.7

总页数: 154

文件大小: 18075K

下载量: 62

分布式高频天地波雷达海洋表面流反演算法研究

论文摘要

论文目录

文章来源

相关论文文献

猜你喜欢