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改进的非相参导航雷达探测有效浪高算法

卢雄赳;付微;吴雄斌;林航;王立;马克涛;田云

【摘要】针对X波段非相参导航雷达对海杂波的成像,研究了利用信噪比和布拉格

散射探测有效浪高的方法,提出一种用最大流速带通滤波来分割信号与噪声获取信

噪比的算法.结合信噪比与有效浪高的关系,经相关定标处理,得到探测区域连续的有

效浪高.与传统的X波段导航雷达测高方法相比,该算法不需要得到雷达探测区域精

准的流速,简单高效,占用资源少.与舟山浮标有效浪高数据的对比,表明其有效提高了

雷达测浪高的便捷性和稳定性.

【期刊名称】《科学技术与工程》

【年(卷),期】2014(014)035

【总页数】4页(P72-75)

【关键词】X波段导航雷达;有效浪高;信噪比;最大流速;带通滤波

【作者】卢雄赳;付微;吴雄斌;林航;王立;马克涛;田云

【作者单位】武汉大学电子信息学院,武汉430072;武汉大学电子信息学院,武汉

430072;武汉大学电子信息学院,武汉430072;福建省海洋预报台,福州350003;武

汉大学电子信息学院,武汉430072;武汉大学电子信息学院,武汉430072;武汉大学

电子信息学院,武汉430072

【正文语种】中文

【中图分类】TN957.52

现如今，海洋的运动与海上安全，海洋工程等都密切相关,而有效浪高是“数字海

洋”规划的重要参数。雷达是观测海洋的有效手段，它具有全天候、高分辨率等优

点。由武汉大学研制的OSMAR系列高频地波雷达能对海洋进行全天候、大范围

的监测，并已在我国沿海开展业务化运行[1—3]。X波段导航雷达主要应用于港

口近岸交通管理和海上航行导航等领域，作为高频地波雷达探测海洋手段的补充，

X波段雷达能对小范围海域进行更为精确的观测。它具有便捷、可靠、经济、实时

和分辨率高等特点，已经引起了海洋学家们的广泛重视，被视为海洋环境监测的有

效手段。

X波段雷达探测海洋的工作原理是雷达发射的电磁波入射到海面，与雷达波长相当

的毛细波产生Bragg散射，后向散射回波被雷达接收，形成“海杂波”[4],而波长

较长的重力波通过对毛细波的流体动力调制、倾斜调制、阴影调制作用表现在海杂

波图像上[5]，因此，X波段导航雷达回波图像包含着丰富的海洋动力学参数信息。

对雷达回波图像进行分析可以找到与海洋表面动力学过程(风、浪、流)相对应的谱

特征，由此即可提取和反演海面动力学要素值。

在海浪参数反演过程中，传统算法引用合成孔径雷达(SAR)估计有效波高的方法，

首先对X波段雷达接收的回波图像序列进行三维FFT变换，利用变换后的功率谱

得到探测区域流速信息，再用流速分离信号和噪声，依据有效浪高与信噪比的关系，

得到探测区域浪高信息[6]。由于海流的存在，使得朝向雷达天线方向的回波图像

功率谱由于多普勒效应而移到高频部分，反之则移至低频部分。因此，流速的确定

是计算准确图像功率谱的关键，对利用回波图像功率谱反演海浪参数信息至关重要。

然而对海量回波采用最小二乘法估计流速，其计算复杂度较高，不利于实时处理。

而且若前期估算的海流不准确，也会导致反演的有效浪高不准确。针对上述缺陷，

提出一种用最大流速约束反演有效浪高的算法，该方法无需最小二乘法估算流速，

并将该算法反演的有效浪高与浮标有效浪高进行对比，两者相关系数在0.8以上，

误差在0.14m以下，表明该算法简便且有效。

1有效浪高算法研究

1.1最大流速带通滤波得到信噪比

对回波图像选取待处理的矩形区域，对矩形区域雷达图像灰度值随时空的分布

g(x,y,t)作3维FFT得到在波数空间和频率空间的能量分布

ei(kxn1Δx+kyn2Δy-ωn3Δt)

(1)

式(1)中，Lx、Ly、T分别为矩形区域的长、宽和时间序列的总长度。

Lx=NxΔx;Ly=NyΔy;T=NΔt。

变换后的谱分辨率为

基于非相参导航雷达的海洋回波图像在进行3维FFT后可以得到kx-ky-ω空间波

数频率三维谱，对于每个方向来说可以从三维谱里面提取得到k-ω的二维谱，如

图1所示。理论上来说，对于每个方向上的k-ω谱都能找到一条满足海洋学重力

波色散关系[4]的曲线。对于色散关系上的每一个点来说会满足式(2)。

(2)

图1空间波数与角频率的关系图Fig.1Therelationshipbetweenspatialwave

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