超高频雷达水动力学参数探测机理研究与实验

发布时间：2022-02-16 13:13

　　工作在分米波段的超高频雷达具有较高的距离分辨率,较小的天线口径和便携式的固有结构特点,可以有效地探测河流流速、流量等水动力学参数,同时其在理论上可以弥补高频雷达和X波段雷达的探测盲区,对近海水动力学参数也拥有较高的探测潜力。此外,超高频雷达结合波槽缩比实验,可以间接分析海浪Bragg和非Bragg散射机理。因此,超高频雷达可为河流和海洋水动力学参数提供一个可靠的非接触式测量手段。基于水波Bragg散射理论,超高频雷达河流探测机理已经比较成熟,但是现有的雷达系统在工程化应用时,存在硬件结构复杂、建站环境要求高、阵列通道校准实施难度大等缺陷,无法适应现代水文的全天候在线式测量需求。对于海洋水动力学参数探测,由于频段不满足经典电磁散射理论的有效范围,无法建立回波谱与海态之间的联系,尚且缺乏可靠的反演机理。在海浪Bragg和非Bragg散射机理研究中,到目前为止仅局限于波槽实验现象的初步解释,对于散射截面、散射角、多普勒频移与周期水波波高、波周期、入射波长之间的内在关系缺乏深入的理论研究。针对上述问题,本文在现有雷达系统的基础上,重新设计了一套紧凑结构全数字多通道超高频雷达系统,并基于河流回波... 

【文章来源】：武汉大学湖北省211工程院校985工程院校教育部直属院校

【文章页数】：205 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
论文创新点
摘要
ABSTRACT
1 绪论
    1.1 选题背景与意义
    1.2 国内外相关研究发展历史与现状
        1.2.1 超高频雷达硬件系统和河流探测技术
        1.2.2 海浪Bragg与非Bragg散射机理
        1.2.3 超高频雷达海洋水动力学参数探测机理
    1.3 本文的研究内容及结构安排
2 全数字超高频水动力学参数探测雷达设计与实现
    2.1 系统总体设计要求
    2.2 系统硬件设计与实现
        2.2.1 雷达总体结构
        2.2.2 接收机主板
        2.2.3 发射机与天线
        2.2.4 电源系统设计
    2.3 系统逻辑电路设计与实现
        2.3.1 逻辑电路总体结构
        2.3.2 处理系统设计
        2.3.3 同步控制器
        2.3.4 相关接收器
        2.3.5 USB控制器
    2.4 系统软件设计与实现
        2.4.1 软件总体结构
        2.4.2 UHFConsole
        2.4.3 UHFServer
        2.4.4 UHFMonitor
    2.5 系统测试
        2.5.1 电源管理模块测试
        2.5.2 模拟前端测试
        2.5.3 信号源模块测试
        2.5.4 整机闭环测试
    2.6 本章小结
3 超高频雷达河流水动力学参数反演与实验
    3.1 引言
    3.2 超高频雷达测流基本原理
    3.3 河流表面径向流场反演流程
        3.3.1 解距离和解速度
        3.3.2 一阶峰划分
        3.3.3 通道校准和到达角估计
        3.3.4 绘制径向流场图
    3.4 断面流速和流量计算
        3.4.1 断面表层流速
        3.4.2 断面流量
    3.5 现场比测实验
        3.5.1 湖北宜昌长江三峡:原理验证性实验
        3.5.2 湖北仙桃汉江:弯曲河流长期比测实验
        3.5.3 老挝琅勃拉邦湄公河:复杂河况河流探测实验
    3.6 本章小结
4 海浪Bragg与非Bragg电磁散射机理研究与实验
    4.1 引言
    4.2 周期水波散射截面和多普勒谱计算
        4.2.1 数值解
        4.2.2 微扰解
    4.3 波槽实验
    4.4 结果和分析
        4.4.1 后向散射截面和多普勒频移
        4.4.2 双基地散射截面和多普勒频移
    4.5 本章小结
5 完全掠入射下一维非线性海面后向散射多普勒谱数值分析
    5.1 引言
    5.2 海浪与海浪谱模型
        5.2.1 海面的描述及基本概念
        5.2.2 海浪功率谱
        5.2.3 方向函数
    5.3 一维线性和非线性海面几何建模
    5.4 电磁散射模型
        5.4.1 构建局部扰动粗糙面
        5.4.2 后向散射多普勒谱仿真
    5.5 结果与分析
        5.5.1 表面非相干电流分布
        5.5.2 线性波多普勒谱特征及与微扰法的对比
        5.5.3 非线性波的多普勒谱特征
    5.6 本章小结
6 超高频雷达二维非线性海面后向散射多普勒谱研究与实验
    6.1 引言
    6.2 二维线性和非线性海面几何建模
    6.3 电磁散射模型
    6.4 超高频雷达海洋回波谱测量实验
    6.5 结果与分析
        6.5.1 后向散射截面
        6.5.2 掠入射下后向散射多普勒谱
    6.6 本章小结
7 总结与展望
    7.1 总结
    7.2 展望
参考文献
攻博期间的科研经历和科研成果
致谢


【参考文献】：
期刊论文
[1]时差法超声波流量计的研究[J]. 梁玉玉,李少波.  信息与电脑(理论版). 2016(03)
[2]基于流速面积法的河流水位流量计量研究[J]. 任剑飞.  水利规划与设计. 2015(11)
[3]超高频雷达基于河流回波的通道校准算法[J]. 文必洋,许亚敏,王才军,李柯.  华中科技大学学报(自然科学版). 2014(09)
[4]基于超高频雷达的流量测量算法研究:以长江武汉段为例[J]. 李自立,王才军,李永辉.  武汉大学学报(理学版). 2013(03)
[5]Doppler spectral analysis for time-evolving sea surfaces using second-order small slope approximation[J]. Xiaofei Li and Xiaojian Xu School of Electronics and Information Engineering,Beihang University,Beijing 100191,P.R.China.  Journal of Systems Engineering and Electronics. 2011(05)
[6]时钟抖动对中频线性调频采样及脉冲压缩影响的研究[J]. 陈佳民,童智勇,杨汝良.  电子与信息学报. 2010(07)
[7]便携式高频地波雷达东海洋山海域探测深度试验[J]. 文必洋,李自立,周浩,石振华,吴世才,王晓亮,杨华,李四明.  电子与信息学报. 2010(04)
[8]中国水资源状况与水资源安全问题分析[J]. 张利平,夏军,胡志芳.  长江流域资源与环境. 2009(02)
[9]雷达枪水面流速仪简介及其比测试验研究[J]. 陈学林.  水文. 2008(02)
[10]指标流速法在珠江三角洲的应用[J]. 李志敏.  中国水利. 2007(11)

博士论文
[1]双频全数字高频海洋雷达研制及相关问题研究[D]. 田应伟.武汉大学 2015
[2]基于全数字超高频雷达海浪Bragg与非Bragg散射机理研究[D]. 李柯.武汉大学 2015
[3]超高频河流表面动力学参数雷达设计与实验[D]. 王思超.武汉大学 2014
[4]全数字超高频海洋表面动力学参数探测雷达系统研制[D]. 姜大鹏.武汉大学 2013

硕士论文
[1]明渠均匀流流速分布规律研究[D]. 巩伟军.西北农林科技大学 2016



本文编号：3628031