亞帆賽間便攜式高頻地波雷達(dá)的海態(tài)觀測

周 浩 文必洋 吳世才 石振華 景玉山 李四明

（1.武漢大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430079；2.武漢德威斯電子技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430074）

引 言

海洋表面流場、風(fēng)場和浪場等狀態(tài)參數(shù)是重要的海洋動力學(xué)要素，監(jiān)測這些參數(shù)對海上和沿岸人類活動和安全以及海防事業(yè)都有重要意義。高頻地波雷達(dá)（工作于3～30MHz）因具有超視距探測能力而在近幾十年來受到了特別的關(guān)注［1-2］，并發(fā)展成為海洋環(huán)境和海面低速移動目標(biāo)監(jiān)測的一種常規(guī)手段，實(shí)現(xiàn)全天候、大面積的海面連續(xù)實(shí)時探測。在海面狀態(tài)參數(shù)中，海洋表面流場探測技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，而風(fēng)浪場探測的機(jī)理和技術(shù)則仍處于發(fā)展和完善的過程中。在可形成窄波束的相控陣?yán)走_(dá)中，由于雷達(dá)回波距離-方位分辨單元較小，且可獲得空間方向性增益，回波信號易于處理和解釋，因而能夠獲得精度較高和較可靠的風(fēng)、浪參數(shù)［3-4］。而在采用小口徑定向天線（如交叉環(huán)／單極子天線）的雷達(dá)中，對海浪回波譜的方向性進(jìn)行分辨是個難題，因而風(fēng)、浪參數(shù)的范圍和精度也較為有限［5］。國外的先進(jìn)高頻地波雷達(dá)（如SeaSonde、WERA等），均進(jìn)行過長期的與海洋浮標(biāo)的現(xiàn)場比對實(shí)驗(yàn)，對風(fēng)浪探測理論的建立和發(fā)展起了重要的促進(jìn)作用［6-8］。小口徑高頻海態(tài)雷達(dá)無疑是未來我國更高效率建設(shè)高頻海態(tài)雷達(dá)網(wǎng)的重要組成部分，對于海態(tài)信息中占重要地位的風(fēng)、浪場參數(shù)，必須結(jié)合海洋現(xiàn)場同步資料，進(jìn)行更為深入的研究。

OSMAR-S是武漢大學(xué)電波傳播實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的便攜式高頻地波雷達(dá)系統(tǒng)，采用緊湊單極子／交叉環(huán)天線，實(shí)現(xiàn)海洋表面流場監(jiān)測，并可測量風(fēng)速、浪高等參數(shù)。2007年11月，在上海洋山海域成功進(jìn)行了OSMAR-S與多種傳統(tǒng)海洋設(shè)備的多點(diǎn)位現(xiàn)場比測實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了雷達(dá)的流場測量能力［9］。隨后，OSMAR-S在浙江海域和山東海域進(jìn)行業(yè)務(wù)化運(yùn)行。2010年11月，在廣東汕尾亞運(yùn)會帆船賽期間，OSMAR-S作為一種重要的海態(tài)監(jiān)測手段，被安裝在紅海灣比賽區(qū)域，與海上浮標(biāo)及沿岸海洋站和氣象站一起，為保障亞運(yùn)會順利舉行提供海洋氣象服務(wù)，同時也為填補(bǔ)海上氣象資料稀缺起到十分重要的作用。同步觀測的傳統(tǒng)海洋儀器，正好為雷達(dá)提供了寶貴的對比數(shù)據(jù)資料。將雷達(dá)測量的汕尾海域流速、流向、浪高、浪周期、風(fēng)向和風(fēng)速等數(shù)據(jù)，與海監(jiān)船搭載的海流計與測風(fēng)儀以及現(xiàn)場布放浮標(biāo)實(shí)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比。對比結(jié)果表明:雷達(dá)與現(xiàn)場浮標(biāo)、海流計及測風(fēng)儀的觀測數(shù)據(jù)較為吻合，初步驗(yàn)證了便攜式高頻地波雷達(dá)OSMAR-S探測近海海態(tài)特別是風(fēng)浪的能力。

1.海態(tài)反演理論和方法

高頻電磁波海面散射回波主要由Bragg散射效應(yīng)產(chǎn)生。20世紀(jì)70年代，Barrick建立了窄波束下高頻段海洋回波一階和二階散射截面方程［10-11］，為利用高頻雷達(dá)探測海洋表面狀態(tài)參數(shù)奠定了理論基礎(chǔ)，并隨后提出了窄波束和寬波束條件下的海態(tài)參數(shù)反演方法，其中由一階Bragg譜峰測量海流和風(fēng)向，由二階譜反演浪高和風(fēng)速。海浪對高頻電磁波的主要散射機(jī)制是Bragg諧振，即當(dāng)波長為λ0的雷達(dá)波投射到海面時，只有波長L=λ0／2，且傳播方向恰為朝向或者背離雷達(dá)的海浪波列會產(chǎn)生最強(qiáng)的后向散射，稱為一階散射。Barrick導(dǎo)出的深水條件下且沒有海洋表面流時的窄波束一階和二階雷達(dá)散射截面方程為

式中忽略了常系數(shù)，ω為Doppler圓頻率；φ為雷達(dá)波束指向；k0為雷達(dá)電波波數(shù)；S（k，φ）表示有向浪高譜；ωB為Bragg圓頻率；δ（·）為Dirac沖激函數(shù)；Γ是耦合系數(shù)，二階散射波矢量滿足關(guān)系k+k′=-2k0.

Bragg頻率fB只與雷達(dá)工作頻率f0有關(guān)，即

式中:g=9.8m／s2是重力加速度；c是光速。當(dāng)海面存在徑向流速vr時，海浪譜將整體向同一方向偏移Δf=2vr／λ0.由一階峰偏移量可計算流速。在OSMAR-S中，回波中實(shí)際包含了雷達(dá)照射區(qū)域內(nèi)各個方位上的海浪后向散射信號，而各個方位上的海面徑向流速不同，因此，雷達(dá)得到的是展寬的一階峰而不是沖激，一階峰的擴(kuò)展寬度取決于海面徑向流速的分布。由譜峰形狀和信噪比檢測出有效Bragg譜峰，對其內(nèi)每個譜點(diǎn)利用多重信號分類法（MUSIC）［12］求取到達(dá)角，從而得到海面的徑向流速隨方位的分布，再經(jīng)過后處理，得到單站徑向流圖。由雙（多）站徑向流圖可以合成共同覆蓋區(qū)內(nèi)的矢量流圖。風(fēng)向由正負(fù)一階峰強(qiáng)度的比值得到［13］。有向浪高譜可表示為無向浪高譜與心形方向擴(kuò)展因子的乘積

式中:無向浪高譜Z（k）采用Pierson-Moscowitz（P-M）譜模型；φw是風(fēng)向。由下式估計出風(fēng)向

式中:P+和P-分別是正負(fù)一階峰的功率。按上式估計出的風(fēng)向在以雷達(dá)波束指向?yàn)橹行膶ΨQ的方向存在二值模糊。在OSMAR-S中，對風(fēng)向的提取仍然借助超分辨率定向算法實(shí)現(xiàn)，在利用MUSIC算法求取各流速到達(dá)方向的同時，記錄下正負(fù)譜峰的功率比，得到含有模糊的風(fēng)向。由于在距離較近的開闊海域內(nèi)可假設(shè)具有均勻（或緩變）的風(fēng)場，因此在計算出所有方位上的候選風(fēng)向中，有一組是較為接近的，其方差最小，據(jù)此可去除風(fēng)向模糊［14］。

利用二階譜峰可提取海浪和風(fēng)速信息。在OSMAR-S中，由加權(quán)的二階譜直接計算得到以頻率為變量的無向浪高譜，計算中取較強(qiáng)一階峰一側(cè)的二階譜，例如正側(cè)較強(qiáng)時

式中:η=ω／ωB為歸一化多普勒譜頻率；w（η）是為了消除耦合系數(shù)而引入的權(quán)函數(shù)，只依賴于多普勒頻率，在0.5≤η≤1.5時可視為常數(shù)，在此取w（η）=2.得到浪高譜后由下式計算均方浪高

有效浪高為h=ξ·4h＊，ξ是經(jīng)驗(yàn)修正因子，Heron建議的值為0.551［15］.

在得到浪高譜的峰值頻率fp和有效浪高h(yuǎn)后，根據(jù)SMB（由Sverdrup和Munk提出并由Bretschneider修正）關(guān)系式便可求出海面上方10m處風(fēng)速V［16］10

上式的解析解不易得到，這里采用迭代法求解V10.

2.雷達(dá)系統(tǒng)及信號預(yù)處理

2.1 系統(tǒng)概述

便攜式高頻地波雷達(dá)OSMAR-S主要用于海洋環(huán)境監(jiān)測，采用鞭天線發(fā)射、緊湊單極子／交叉環(huán)天線進(jìn)行接收，雷達(dá)系統(tǒng)占地面積很少，無需進(jìn)行專門的天線陣場地建設(shè)。OSMAR-S是相干體制雷達(dá)，波形采用線性調(diào)頻中斷連續(xù)波（FMICW），系統(tǒng)主要由頻率綜合器、同步控制電路、發(fā)射機(jī)、發(fā)射天線、單極子／交叉環(huán)接收天線、多通道接收機(jī)和信號處理機(jī)組成。在不增加硬件設(shè)備的前提下，實(shí)現(xiàn)了自動頻譜監(jiān)測和自選頻功能。系統(tǒng)框圖如圖1所示。OSMAR-S能夠提供高質(zhì)量的海浪回波譜，通常在10倍距離分辨率單元上的Bragg峰信噪比可以超過40dB，如圖2（（b）見423頁）所示。通過對接收信號進(jìn)行瞬態(tài)干擾和射頻干擾抑制預(yù)處理，進(jìn)一步保障了信號質(zhì)量，提高了雷達(dá)可靠性。利用回波中單到達(dá)角譜點(diǎn)，自動進(jìn)行各接收通道幅度和相位校準(zhǔn)。利用單站雷達(dá)信號計算海洋表面徑向流速、風(fēng)向、浪高和風(fēng)速。通過間隔一定距離的雙站雷達(dá)同時獲得同一海面單元不同方向的徑向流，可合成矢量流。雷達(dá)相干處理時間為6.5min，每20 min給出一場平均海態(tài)結(jié)果。汕尾雷達(dá)工作頻率為25MHz，帶寬為300kHz，平均功率100W，最大探測距離30km，距離分辨率500m，流速分辨率為1.5cm／s.

2.2 干擾抑制預(yù)處理

OSMAR-S所處的高頻段電磁環(huán)境顯著惡劣于更高頻段。雷電等形成強(qiáng)瞬態(tài)（沖激）干擾，而高頻段內(nèi)密集的短波通信電臺、廣播和其它同頻噪聲則形成強(qiáng)射頻干擾，這些干擾將使雷達(dá)有效探測距離下降，工作性能降低。由于接收天線形式簡單，從而無法使用大口徑陣列雷達(dá)中常用的自適應(yīng)波束形成方法或者水平極化濾波法來進(jìn)行干擾抑制，因此，須著重研究干擾的時頻域特征，發(fā)展基于陣元的干擾抑制方法。瞬態(tài)干擾通常可在檢測出后進(jìn)行挖除即可，在陷零區(qū)間較窄時對有用信號影響不大。射頻干擾抑制則相對更復(fù)雜。實(shí)測數(shù)據(jù)表明:對高頻雷達(dá)影響最大的射頻干擾主要源于短波通信和廣播信號，它們在雷達(dá)回波距離-多普勒譜上沿距離軸呈條帶狀分布。已經(jīng)證明:射頻干擾在距離域相關(guān)函數(shù)與其在快時域相關(guān)函數(shù)成正比，而且單頻干擾在各距離元具有相同的譜形式（僅僅有相位的差別）［17-18］。在 OSMAR-S中，選取不含有用回波信號的遠(yuǎn)距離段信號xr（n）（距離元序號r=L，…，L+Q-1，時間序號n=1，…，N，N為信號長度，即掃頻周期數(shù)）作為參考信號以提高干擾檢測性能，對于瞬態(tài)干擾，計算出平均強(qiáng)度時間序列pt（n）=xr（n）｜2，由其直方圖計算背景噪聲電平，按預(yù)設(shè)干噪比門限α（如20dB）檢測出瞬態(tài)干擾區(qū)間，如果區(qū)間長度小于預(yù)設(shè)門限（如0.05×N）則將其置零；而對于射頻干擾，計算遠(yuǎn)距離段信號的傅里葉變換Xr（k），然后計算平均功率譜Pf（k）=Xr（k）｜2，由直方圖選擇計算背景噪聲電平，按預(yù)設(shè)干噪比門限β（如20dB）檢測出射頻干擾。如果判定存在射頻干擾，則由參考距離段信號構(gòu)造干擾信號子空間對待處理距離元信號進(jìn)行正交投影濾波消除干擾。構(gòu)造干擾向量xr=［xr（1），…，xr（N）］T，干擾矩陣X= ［xL，…，xL+Q-1］，其中上標(biāo)T表示轉(zhuǎn)置，于是干擾的距離域相關(guān)矩陣估計為R=（上標(biāo)H表示共軛轉(zhuǎn)置），對R進(jìn)行特征分解并依據(jù)能量取前K 個主極大特征值λi（i=1，…，K）作為干擾特征值，其相應(yīng)的特征向量矩陣V=［v1，…，vK］構(gòu)成干擾子空間，對有效距離元上的信號xi（1≤i≤K）進(jìn)行正交投影濾波就可以實(shí)現(xiàn)射頻干擾抑制，干擾抑制后的信號為xi，sup=xi-VVHxi.由于OSMAR-S相干積累時間較長，通常射頻干擾會呈現(xiàn)非平穩(wěn)性，因此實(shí)際中進(jìn)行了分段處理（如分為128點(diǎn)子段）。通過上述信號陣元域干擾抑制預(yù)處理，顯著提升了OSMAR-S的抗干擾能力和探測性能。

2.3 通道幅相校準(zhǔn)

OSMAR-S采用三元共相位中心單極子／交叉環(huán)天線進(jìn)行接收，其理想方向圖分別為1、cos（θ+π／4）和sin（θ+π／4）（以交叉環(huán)角平分線為零度），因而無法形成較窄的波束，在海流反演時需使用超分辨率定向算法（如MUSIC）進(jìn)行到達(dá)角估計。為得到良好的估計性能，在進(jìn)行測向之前，必須進(jìn)行包括接收天線在內(nèi)的接收通道幅度和相位校準(zhǔn)［19］。為了避免由于一次通道幅相校準(zhǔn)中較大誤差導(dǎo)致的性能下降，需要進(jìn)行多次校準(zhǔn)值計算，并在一段時間（如1小時）內(nèi)進(jìn)行統(tǒng)計平均。此外，由于OSMARS具有頻譜監(jiān)測和自動選頻功能，而且在不同頻率下各通道幅度相位值也不同，因而幅相校準(zhǔn)值對不同的工作頻率必須重新計算。OSMAR-S不使用人工信標(biāo)裝置，而使用雷達(dá)接收的回波譜進(jìn)行統(tǒng)計實(shí)現(xiàn)無源自動校準(zhǔn)。觀測海域內(nèi)連續(xù)分布的海水及隨機(jī)分布的目標(biāo)為雷達(dá)提供了天然的校準(zhǔn)源，回波譜中信噪比超過一定閾值（如20dB）的任意譜點(diǎn)都被用來進(jìn)行校準(zhǔn)計算。計算中均以單極子天線回波譜為參考，計算環(huán)天線上的相對幅度和相位。為了提高校準(zhǔn)可靠性，首先要剔除電離層雜波和射頻干擾等譜點(diǎn)；此外，利用共相位中心天線系統(tǒng)的特點(diǎn)，根據(jù)環(huán)天線回波譜點(diǎn)的相位剔除偏離中心較大的譜點(diǎn)（如圖3（a）（見423頁）所示）。相位校準(zhǔn)值由環(huán)天線相對相位中心給出。如果各回波譜點(diǎn)均來自于單一到達(dá)角，則2個環(huán)各譜點(diǎn)的功率應(yīng)呈直線分布，可以利用下式擬合計算相對幅度校準(zhǔn)值［20］

式中:p1，m和p2，m分別是環(huán)1和環(huán)2上第m個譜點(diǎn)的功率；a1和a2是幅度校準(zhǔn)值。然而，在實(shí)際中，由于同一頻率的回波譜點(diǎn)可能來自多個到達(dá)角，同時天線方向圖與理想方向圖之間存在差異，常常破壞了環(huán)功率的直線分布形式（如圖3（b）所示），此時無法利用上式求解。但是，在2個環(huán)天線通道幅度大致平衡（即a1與a2相差不太大）及觀測海域沿交叉環(huán)角平分線大致對稱的條件下，由各譜點(diǎn)幅度分布的中心即可求得幅度校準(zhǔn)值，即

3.觀測結(jié)果及分析

2010年11月，便攜式高頻地波雷達(dá)OSMAR-S作為海洋觀測設(shè)備之一，參與了亞運(yùn)會帆船賽的海洋氣象保障觀測工作。海上傳統(tǒng)海洋儀器、岸上臺站和雷達(dá)對汕尾海域形成了同步觀測網(wǎng)。對雷達(dá)而言，在獲取稀缺海上數(shù)據(jù)資料的同時，此次觀測也是利用現(xiàn)場海洋儀器對遙測海態(tài)進(jìn)行比對的寶貴機(jī)會。海區(qū)內(nèi)布有3個遙測浮標(biāo)，其中A位于（115°32.2′E，22°39.5′N），B位于（115°34.2′E，22°38.2′N），Q位于（115°32.9′E，22°36.0′N），提供浪高、浪周期、風(fēng)速和風(fēng)向等數(shù)據(jù)；另外有船只現(xiàn)場不定點(diǎn)測量表面矢量流速和風(fēng)速。OSMAR-S系統(tǒng)的2個動明顯高于雷達(dá)，說明船測數(shù)據(jù)的流向存在較大誤遠(yuǎn)端站分別設(shè)置于汕尾小澳 A（115°29.8′E，22°41.2′N）和遮浪 B（115°32.2′E，22°39.5′N），提供帆船比賽海域的流場以及有效浪高、浪周期、風(fēng)速和風(fēng)向信息，其中由于OSMAR-S的指向性不強(qiáng)因而只給出了海域內(nèi)風(fēng)浪參數(shù)的平均值。由于2個雷達(dá)站給出的風(fēng)浪參數(shù)相近，這里只給出了小澳站與現(xiàn)場測量風(fēng)浪參數(shù)比對的結(jié)果。

圖4給出了OSMAR-S在2010年11月17日13:00實(shí)測的汕尾海域矢量流圖。圖中分別用五角星和圓形符號標(biāo)明了雷達(dá)站和浮標(biāo)位置，浮標(biāo)實(shí)際處于雷達(dá)探測區(qū)域的邊緣。用于海流測量的船只在雷達(dá)公共覆蓋區(qū)內(nèi)不定點(diǎn)測量，船只每天的位置有所變化。觀測發(fā)現(xiàn)，由于遮浪半島對東西兩側(cè)海域的天然屏障作用，表面流場在靠近遮浪的區(qū)域內(nèi)變化較大。因此，只將OSMAR-S測量流速與覆蓋區(qū)內(nèi)的船只測速進(jìn)行了對比。圖5給出了11月13日至20日期間OSMAR-S測得流速與船載拋投式海流計現(xiàn)場測得的流速對比結(jié)果，其中（a）為流速，（b）為流向。流速標(biāo)準(zhǔn)差為8.6cm／s，流向標(biāo)準(zhǔn)差為46.6°.由雷達(dá)和船實(shí)測數(shù)據(jù)的對比結(jié)果來看，二者基本吻合。以船測結(jié)果為基準(zhǔn)，表面流速測量誤差在雷達(dá)設(shè)計容許范圍內(nèi)，而表面流向誤差超出了雷達(dá)設(shè)計誤差。分別對雷達(dá)所得表面流與船測表面流的流向方差進(jìn)行了分析，其中雷達(dá)測得流向的方差為23°，而船測流向的方差為44°，船測數(shù)據(jù)自身波差。將小澳站測得風(fēng)速和風(fēng)向與船只搭載測風(fēng)儀測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比的結(jié)果如圖6所示，其中時間軸0表示2010年11月1日0:00.風(fēng)向標(biāo)準(zhǔn)差為19.2°，風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差為1.9m／s，這表明二者測量結(jié)果具有良好的一致性。

圖7給出了OSMAR-S的小澳站反演風(fēng)浪參數(shù)與浮標(biāo)A、B得到參數(shù)的時間變化曲線對比，其中浮標(biāo)風(fēng)速風(fēng)向由2個浮標(biāo)聯(lián)合給出。雷達(dá)與浮標(biāo)Q的測量結(jié)果如圖8所示。圖中時間起點(diǎn)0表示2010年11月1日0∶00，測量數(shù)據(jù)的時間間隔均為1h.雷達(dá)與3個浮標(biāo)測量結(jié)果之間的平均偏差和標(biāo)準(zhǔn)差如表1所示。對比結(jié)果表明:OSMAR-S測得浪高及浪周期與浮標(biāo)測量值具有良好的一致性，而風(fēng)速和風(fēng)向的誤差稍大，這是由于風(fēng)速反演是基于浪高參數(shù)的，風(fēng)速和風(fēng)向的反演精度也受到雷達(dá)定向能力的制約。這些結(jié)果初步驗(yàn)證了OSMAR-S遙測風(fēng)浪參數(shù)的能力。總體來看，OSMAR-S給出的浪高、浪周期和風(fēng)速參數(shù)結(jié)果的短期起伏性較大，且未能及時響應(yīng)海面狀態(tài)的變化，這主要是由于雷達(dá)波束指向能力不足，各方位海浪回波的混疊模糊了海態(tài)變化的影響，且回波信號中一階譜和二階譜的混疊和展寬為譜區(qū)劃分及風(fēng)浪參數(shù)提取帶來了困難；此外，現(xiàn)有處理方式下雷達(dá)采用的20min處理周期較短以及隨機(jī)出現(xiàn)的船只回波等都是導(dǎo)致短期起伏的因素。

4.結(jié) 論

海上現(xiàn)場對比驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)表明:海洋回波譜的信噪比、波束寬度、反演方法和海況等級是決定海態(tài)參數(shù)估計精度的重要因素。

良好的硬件系統(tǒng)設(shè)計和信號處理手段為便攜式高頻地波雷達(dá)OSMAR-S獲得高質(zhì)量海洋回波信號提供了技術(shù)保障。通過汕尾亞帆賽期間的雷達(dá)海洋觀測及其與現(xiàn)場海態(tài)測量儀器持續(xù)近20天的對比，初步驗(yàn)證了雷達(dá)測量風(fēng)浪參數(shù)的能力。今后將繼續(xù)深入研究高頻雷達(dá)海態(tài)探測機(jī)理和反演技術(shù)，以突破較寬的天線波束對風(fēng)浪參數(shù)反演精度的制約。另外，將進(jìn)行更多的海上現(xiàn)場對比實(shí)驗(yàn)，以提升和完善便攜式海態(tài)雷達(dá)的風(fēng)浪探測能力。

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