超高频雷达海洋表面流及风向反演算法研究

发布时间：2017-12-17 13:12

  本文关键词：超高频雷达海洋表面流及风向反演算法研究

  更多相关文章： 超高频雷达 海洋表面径向流速 海面风向 数字波束形成

【摘要】：海洋动力学参数作为海洋环境监测的重要内容之一,对其进行长期、实时监测有利于合理开发利用海洋资源,为海洋科学研究、提高海上安全提供技术支持,尤其是近岸海域的实时监测,对于保障并促进沿海地区经济的发展有着重要的意义。高频地波雷达在海洋环境参数监测方面起到极其重要的作用,在海洋开发与利用方面得到广泛应用,然而高频雷达在实施海洋状态监测时由于其距离分辨单元较大且反演精度受高频段噪声干扰的影响,难以得到精细化的海面状态信息。超高频雷达相比高频雷达具有更高的分辨性能,波长介于高频和微波之间,满足重力波条件,回波中含有丰富的海洋动力信息,且超高频段外界噪声干扰小,上述特点表明了超高频雷达具有近岸海洋环境监测的潜力。本文主要研究基于超高频雷达的近岸海域表面径向流速及风向提取算法。在海洋表面径向流速提取方面,主要利用海浪对雷达电磁波的后向布拉格散射机理及多普勒效应,根据布拉格散射产生的多普勒频移获取径向流速信息。近岸海域的地形、海流均较复杂,超高频雷达波长约0.88m,能够同时提取海浪毛细波与重力波信息,与海浪作用敏感,得以实现近岸海洋表面流的精细测量。正因为超高频雷达波长较短,与高频雷达回波谱不同,超高频雷达海洋回波谱中流速造成的一阶峰与二阶谱展宽严重,容易混叠在一起,难以划分出一阶峰区域。在本文中设计采用数字波束形成来解决谱展宽的问题,并实现流速方位信息提取。实验表明,雷达反演的径向流速结果与浮标数据的相关系数达到0.88,但是均方根误差却很大。通过分析发现超高频雷达探测的海洋表面流速属于表皮流,其不仅受到潮汐效应、地球自转的影响,还在一定程度上受当地风速及风向的影响。在海面风向提取方面,本文主要基于高频雷达风向反演理论,即一阶海洋回波理论和正负一阶峰比值与风向的半经验关系。高频雷达在海面风速较小时风向反演精度较低,超高频雷达借助其波长短的优势,能够响应较低风速下的海洋状态,提高低风速下风向的反演精度。本文中采用数字波束形成算法进行方位信息提取,并利用最小二乘多波束算法解决风向模糊问题。超高频雷达提取的风向结果与浮标数据进行对比,二者相关系数为0.85,均方根误差为25°,其中在低风速下(风速小于5m/s),超高频雷达风向提取结果与浮标数据相关系数可达0.9,均方根误差为26°,良好的结果表明了利用超高频雷达监测海面风向的可行性和有效性。在低风速情况下,超高频雷达能够准确提取风向信息,弥补高频雷达在低风速条件下风向测量不准的不足。在高风速下(平均风速大于10m/s),超高频雷达仍能够提取风向信息,但是风向的反演精度会受到影响,与浮标风向的相关系数较低。本文首次将超高频雷达应用在海洋表面流及风向信息提取中,并给出了反演算法。通过对比分析浮标数据与雷达反演结果,验证了超高频雷达应用在近岸海域海洋动力参数监测的可行性。
【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：P715;TN958

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本文编号：1300213