星载波谱仪海浪方向谱反演仿真研究
发布时间：2020-08-27 20:54
【摘要】：海浪方向谱是十分重要的海浪信息,通过海浪方向谱可以计算海洋波浪场的统计特性(有效波高,周期,波长,波向,波陡等),所以获取高精度的海浪方向谱非常重要。海浪波谱仪是专门用来测量海浪谱的小入射角真实孔径雷达,全球第一台星载波谱仪SWIM(Surface Wave Investigation and Monitoring)将搭载于中法卫星上测量全球范围内的海浪方向谱。本文根据波谱仪探测海浪方向谱原理,通过仿真的手段对星载波谱仪海浪谱反演中关键步骤所涉及的算法进行研究,包括不同调制谱估计方法及其性能、不同斑点噪声的去除方法及其性能、不同混合浪分区以及海浪参数提取方法及其性能,有助于提高星载波谱仪SWIM探测海浪方向谱的精度以及波谱仪数据的应用水平。本文首先介绍了波谱仪测量海浪方向谱的原理以及海浪方向谱反演仿真平台的数据处理过程。然后研究了不同调制谱估计方法(周期图法,Welch法,AR模型法以及最小方差法)的反演性能,仿真结果表明,最小方差法和AR模型法在一定海况下反演性能要优于其他方法,并且随着雷达中心入射角下降各个方法的反演性能都会略微下降;接着,鉴于斑点噪声对海浪谱反演性能的重要影响,重点对波谱仪接收信号斑点噪声的形成机理和去除方法进行了研究,仿真发现,后积分法和交叉谱法去噪的适用条件更广,而且反演精度也较好,符合波谱仪反演性能要求。本文的另一个研究内容是对反演得到的混合海浪谱进行海浪分区。实际海洋中大多情况下都是风浪与涌浪并存的混合浪,本文基于海浪能量线性叠加原理与海浪谱经验公式,在正演仿真中模拟了混合浪的海面,在反演仿真中,采用综合考虑海浪方向谱的波数、方位向分布信息的分离波数法来提取风浪和涌浪成分,计算各个海浪成分的海浪参数并与理论参考值进行对比验证。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH766
【图文】：
（a）波谱仪模式 （b）高度计模式图 1.1 ROWS 的几何观测图2.法国 CNES 的 RESSAC、STORM 和 KuROS上世纪 90 年代初，法国 CNES 的 Hauser 等人基于 ROWS 雷达系统的探测出一种名为 RESSAC（Radar pour l’Etude du Spectre de Surface par Analysire）的机载雷达系统[15]。RESSAC 和 ROWS 的测量原理一致，但是雷达波波段变为了 C 波段 FM/CW（Frequency Modulated/Continuous Wave），并且中心入射角为 14°的斜视波束，去除了高度计模式，具有系统造价低和功的优势。RESSAC 的主要系统参数和观测示意图如表 1.2 和图 1.2 所示。通行实验获得了大量的海面观测信息，经过研究 Hauser 发现海浪的均方根斜接由系统测量数据反演得到并且不需要输入风场信息，进而计算出调制比将 RESSAC 飞行实验反演出的海浪方向谱与浮标数据相匹配，其吻合度较了波谱仪探测海浪方向谱的可行性。表 1.2 RESSAC 的主要系统参数 指标
图 1.2 RESSAC 的几何观测图年，基于 RESSAC 雷达系统测量原理，Hauser 等人改进了 RESSA为 STORM[19]，与 RESSAC 雷达系统不同的是，STORM 的天线平0°，转速扩大到 3 rpm，并且对波数宽度进行了调整，而且采用双收双极化信号，使其可用于研究极化方向和海面散射特性之间的主要性能指标和观测示意图具体可参见表 1.3 和图 1.3。表 1.3 STORM 的主要系统参数指标FM-CW2 km 至 3 kmC 波段发射信号，水平极化和垂直极化方式交替进行（每个 7.5接收信号，水平极化和垂直极化同时进行20°
图 1.3 STORM 的几何观测图为了配合 2018 年中法海洋星的发射，法国空间局 CNES 开展ROS 的机载飞行试验[20]。KuROS 雷达系统包含两个天线：低入射角（MI）天线，分别对应中法星上波谱仪和散射计的天线要参数如表 1.4 所示。雷达系统观测的几何示意图如图 1.4 LI 天线和 MI 天线的足印。表 1.4 KuRos 雷达的主要系统参数指标13.5 GHz11 W天线 入射角范围 14°±8°I）天线 入射角范围 40°±8°1.5m（LI），5m（MI）HH for LI，HH-VV for NI
本文编号：2806610
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH766
【图文】：
（a）波谱仪模式 （b）高度计模式图 1.1 ROWS 的几何观测图2.法国 CNES 的 RESSAC、STORM 和 KuROS上世纪 90 年代初，法国 CNES 的 Hauser 等人基于 ROWS 雷达系统的探测出一种名为 RESSAC（Radar pour l’Etude du Spectre de Surface par Analysire）的机载雷达系统[15]。RESSAC 和 ROWS 的测量原理一致，但是雷达波波段变为了 C 波段 FM/CW（Frequency Modulated/Continuous Wave），并且中心入射角为 14°的斜视波束，去除了高度计模式，具有系统造价低和功的优势。RESSAC 的主要系统参数和观测示意图如表 1.2 和图 1.2 所示。通行实验获得了大量的海面观测信息，经过研究 Hauser 发现海浪的均方根斜接由系统测量数据反演得到并且不需要输入风场信息，进而计算出调制比将 RESSAC 飞行实验反演出的海浪方向谱与浮标数据相匹配，其吻合度较了波谱仪探测海浪方向谱的可行性。表 1.2 RESSAC 的主要系统参数 指标
图 1.2 RESSAC 的几何观测图年，基于 RESSAC 雷达系统测量原理，Hauser 等人改进了 RESSA为 STORM[19]，与 RESSAC 雷达系统不同的是，STORM 的天线平0°，转速扩大到 3 rpm，并且对波数宽度进行了调整，而且采用双收双极化信号，使其可用于研究极化方向和海面散射特性之间的主要性能指标和观测示意图具体可参见表 1.3 和图 1.3。表 1.3 STORM 的主要系统参数指标FM-CW2 km 至 3 kmC 波段发射信号，水平极化和垂直极化方式交替进行（每个 7.5接收信号，水平极化和垂直极化同时进行20°
图 1.3 STORM 的几何观测图为了配合 2018 年中法海洋星的发射，法国空间局 CNES 开展ROS 的机载飞行试验[20]。KuROS 雷达系统包含两个天线：低入射角（MI）天线，分别对应中法星上波谱仪和散射计的天线要参数如表 1.4 所示。雷达系统观测的几何示意图如图 1.4 LI 天线和 MI 天线的足印。表 1.4 KuRos 雷达的主要系统参数指标13.5 GHz11 W天线 入射角范围 14°±8°I）天线 入射角范围 40°±8°1.5m（LI），5m（MI）HH for LI，HH-VV for NI
【参考文献】
相关期刊论文 前4条
1 张峰;尹丽;石现峰;;振动信号的最小方差谱估计算法[J];计算机技术与发展;2015年10期
2 李水清;赵栋梁;;风浪和涌浪分离方法的比较[J];海洋学报(中文版);2012年02期
3 林文明;董晓龙;;星载雷达波谱仪反演海浪谱的精度研究[J];海洋学报(中文版);2010年05期
4 赵栋梁,管长龙,吴克俭,文圣常;海浪方向谱估计方法的比较[J];海洋学报(中文版);1999年03期
本文编号：2806610
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