Morse-3型S波段測波雷達比對試驗結果分析

朱麗萍，張　川，程紹華

（國家海洋標準計量中心，天津　300112）

Morse-3型S波段測波雷達比對試驗結果分析

朱麗萍，張川，程紹華

（國家海洋標準計量中心，天津300112）

為了評價Morse-3型S波段測波雷達試驗數據的有效性和實際觀測效果，在遮浪島附近以MKIII型波浪騎士浮標作為比對儀器進行試驗。比對結果顯示，所有參數的測量結果均略高于比對儀器的測量結果，且兩者的相關性較好，平均波高和對應波周期測量結果最好。波高數據相關系數為0.936，誤差介于（-0.1～0.1）m和（-0.2～0.2）m的概率分別為58.59%和99.38%；波周期誤差介于（-1.5～1.5）s的概率為64.18%，誤差標準偏差為0.50 s。

Morse-3型S波段雷達；MKIII型波浪騎士浮標；有效波波高；有效波波周期；平均波高；平均波周期

Morse-3型S波段測波雷達是武漢大學和武漢七星電氣有限公司聯合研制的具有獨立自主知識產權的海洋環境監測的第三代高精度S波段測波雷達，主要用于海洋防災減災、海上運輸、海洋石油、海洋漁業、海洋工程和軍事活動等海洋動力環境監測、海洋生態系統管理、海洋觀測。該雷達波性參數實現自動化，系統具有較高的處理增益，可用較小的發射功率獲得較強的回波信號，兼顧探測距離和探測精度，以保證海浪、海流的高精度測量［1］。

海浪是由多個單一正弦波合成的復雜波形，其要素主要包括波高、波周期和波向。為了更好地表征海浪，在海浪連續記錄中波高總個數的1/3個大波的波高平均值為1/3波高（有效波波高），對應周期為1/3波周期（有效波周期）。所有波高的平均值為平均波高，對應的周期平均值為平均波周期。波高的最大值為最大波高，對應的周期為最大波周期。波高總個數的1/10個大波的波高平均值為1/10大波波高，對應周期的平均值為1/10大波周期。

國內外許多學者對高頻雷達在海洋環境探索中做了大量的比對試驗并進行了評估，如Frisch［2］、Chapman［3-4］等人對HF雷達進行了比對試驗，趙晨等人對最新研制的多頻率高頻地波雷達海流、海浪探測情況進行了評價與分析［5-6］。陳澤宗等人研究了S波段雷達海浪探測的基本原理［7］。目前對Morse-3型S波段雷達的比對研究還較少，本文旨在對運用了新方法、新技術的Morse系列S波段第3代測波雷達對海浪的探測結果作進一步的比對分析與評估。

1　儀器簡介

Morse-3型S波段測波雷達（下文簡稱雷達）是一種用于探測近距離海洋動力學參數的高精度S波段多普勒測波雷達，全景觀測僅3 min，可探測空間非平穩場和流場，其技術指標見表1。

測波原理：該雷達基于多普勒原理，通過連續測量各方向水質點的軌道速度和回波強度，結合線性海浪理論，計算出海浪譜和速度譜。利用6個方位的數據融合得到有效浪高譜、海浪統計如有效波波高、波周期和波向［8］。

比對儀器選用的是波浪騎士MKIII型測波浮標（下文簡稱浮標），是測量波高和波向的世界標準，精度可達0.5%。該浮標為重力加速度式浮標，傳感器內安裝加速度計，加速度計隨波面升降測量垂直加速度電壓信號，經二次積分后得到波面起伏的電壓信號，將該信號進行模數轉換和計算處理后就可以得到波浪的各種特征值。兩種儀器的性能指標見表1。

表1　兩種儀器的技術指標

2　試驗說明

試驗地點位于廣州省汕尾市紅海灣區內的遮浪島，該島南端突向海中，便于雷達開展探測試驗。2015年3月19日-3月30日，在距試驗海平面高度約為10 m位置布放測波雷達，其視場半徑為1 500 m，天線海拔高度約20 m；比對設備MKIII波浪騎士布防距離測試設備天線700 m處，經度115° 34′22″，緯度22°39′16″，圖1和圖2分別為雷達天線和波浪騎士MKIII型測波浮標。

圖1　雷達天線

圖2　波浪騎士MKIII型測波浮標

為了保證比對數據的準確性與有效性，調整校準后的儀器及其應用算法，在整個試驗過程中，不再進行修改。

3　數據處理

3.1數據說明

測量數據包括測量時間、最大波高、最大波周期、1/10大波波高、1/10波周期、有效波波高、有效波波周期、平均波波高、平均波波周期、波向等參數。

3.2數據處理

為了客觀顯示Morse-3型S波段雷達的測量性能，比對儀器與參試儀器所獲取的波浪數據先進行初步數據處理，得到空間和時間上具有比對意義的兩組數據。

首先，應用3σ準則處理數據，剔除異常點。

其次，為滿足時間上比對的統一性，對剔除異常值后的數據進行時間控制，將雷達數據換算成每0.5 h一組數據，換算過程如下：

因波浪騎士浮標的實際測量時間是t時刻后30 min，故將（t，t+30）時間段內的雷達數據取出，假設為Hmax_Morse（1，2，3…n）、H1/10_Morse（1，2，3…n）、H1/3_Morse（1，2，3… n）、Havg_Morse（1，2，3… n），Tmax_Morse（1，2，3…n）、T1/10_Morse（1，2，3…n）、T1/3_Morse（1，2，3…n）、Tavg_Morse（1，2，3…n）。

由武漢大學無線電海洋遙感實驗室提供的反演雷達數據算法可知，雷達在T時間段內的波高、波周期統計特征值，為其原始數據中對應樣本數據的平均值，即（t，t+30）時間段內Morse-3雷達測量的波高各特征值為：

i為（t，t+30）時間段內的雷達數據序號，i=1，2，3…n。

3.3誤差計算

約定浮標測量值為真值，對雷達測量值進行誤差計算，計算誤差公式如下：

4　比對結果及影響因素

4.1試驗比對結果

4.1.1波高比對結果圖3分別給出有效波波高、平均波波高、最大波高和1/10大波波高4個參數的比對結果。結果顯示，雷達測得值略高于浮標測得值。隨著時間變化，雷達與浮標測得波高曲線整體走勢一致，均在3月23日、25日、28日出現突變，相關性較好。

圖4為雷達與浮標波高測量值差值示意圖，顯示除個別點（3月21日、28日少數測得值）外，雷達測得值略高于浮標測得值，且波高差值曲線與波高曲線變化走勢基本一致，推測波高大小對雷達測波高精度有一定的影響。

比對結果匯總見表2，可以看出，4個參數中平均波波高測量結果最好。平均波高誤差介于（-0.1～0.1）m和（-0.2～0.2）m的樣本分別占總樣本的58.59%和99.38%，相關系數為0.936，兩者相關度高，總體測量結果較好，所有誤差的標準偏差值為0.15 m；有效波波高誤差介于（-0.2～0.2）m和（-0.5～0.5）m的樣本分別占總樣本的35.40%和80.54%，波高誤差小于±0.5 m的概率大，相關系數為0.939，所有誤差的標準偏差值為0.24 m，略低于平均波測量結果。

4.1.2波周期比對結果圖5給出4種參數的波周期比對結果趨勢圖。結果顯示，雷達測得波周期較浮標測得波周期結果略高但兩者走勢一致。結合圖3可知，波周期走勢與波高走勢不一致。

圖6為波周期差值示意圖，除個別結果（3月21日、28日少數測得值）外，雷達測波周期值較浮標測得波周期值略大。結合圖5，波周期差值曲線與波周期曲線相關性小，推測可能因為波浪周期變化較小，其相關系數難以反映變化趨勢。

波周期具體比對結果見表2，4個比對參數中平均波波周期測量結果相對較好，誤差介于（-1.5～1.5）s的概率為64.18%，所有誤差的標準偏差為0.50 s。

綜上所述，在12 d的比對試驗中，Morse-3型S波段測波雷達和MKIII型波浪騎士浮標所測波高和波周期均表現為前者測得值略高于后者，但兩者曲線相關性好，其中平均波高和對應的波周期的測量結果相對較好。另經推測，波高大小對雷達測波高精度有一定的影響；但波周期值對雷達測波周期精度影響不明顯。

圖3　Morse-3型S波段雷達與MKIII型波浪騎士浮標波高測量值比較圖

圖4　Morse-3型S波段雷達與MKIII型波浪騎士浮標波高測量值差值示意圖

圖5　Morse-3型S波段雷達與MKIII型浮標波周期測量值趨勢圖比較

圖6　Morse-3型S波段雷達與MKIII型浮標波周期測量值差值示意圖

以波浪騎士浮標測量值為約定真值，雷達測波數據誤差統計結果如表2。

4.2影響因素分析

綜上所知，在對比試驗中，雷達和浮標所測波高和波周期數據相關性較好，但也存在一定的誤差，引起這些誤差的原因可能有以下幾點：

（1）試驗海況。由波高差值圖看出，3月23日-27日波高誤差較大，最大波高差值可達1 m以上，參考浮標所測波高，該時間段內最大波高可達（3～5）m，屬于5～6級海況，推測風力可能較大，可能是影響測波誤差偏大的一個重要影響因子，其對誤差的評估較復雜，今后還需作進一步研究。

表2　雷達與波浪騎士浮標比對誤差統計表

另外，試驗海區為近岸海域，由近岸礁石引起的涌浪、浪高、浪向、浪周期比較混亂，對試驗數據有一定的影響；受地理位置影響，島嶼和過往船只對雷達測量信號的提取也會產生較大干擾。

（2）儀器設備測量原理不同。Morse-3型S波段雷達利用高精度S波段的Doppler原理對運動目標的相對速度進行測量，而MKIII型波浪騎士浮標通過測量浮標運動時重力加速度的大小得到波浪運動特征量，二者在測量原理上的不同，使得測量值存在一定得差異。

（3）數據處理過程。雷達實測數據為每3 min獲得一組測量值，浮標每0.5 h獲得一組測量值，經數據處理后進行比對，比對數據的提取過程不相同。

總之，Morse-3型S波段雷達在海洋探測中的誤差來源是多方面的，影響因素也很多，這些因素對測量精度的影響還需長期大量的比對試驗來研究和分析，便于進一步對雷達算法進行完善。

5　小結

在Morse-3型S波段測波雷達的比對試驗中發現，有效波波高、最大波高、平均波高、1/10大波波高以及對應波周期較MKIII型波浪騎士浮標測量結果略偏高，但相關性很好，其中平均波高和對應波周期的測量結果最好；波高差值曲線與波高曲線變化走勢基本一致，推測波高大小對雷達測波高精度有一定的影響。波周期差值曲線與波周期曲線相關性小，推測波周期大小對雷達測波周期精度的影響不明顯。

另外，雖然雷達與波浪浮標均能獲取波向數據，但浮標的波向參數目前國內無法進行實驗室內的計量校準，其準確可靠性無法確認，故此處不對波向作分析。

致謝：感謝武漢大學無線電海洋遙感實驗室提供的雷達反演結果，感謝陳澤宗教授、張龍剛博士的指導與幫助，感謝武漢七星電氣有限公司在對比試驗中給予的大力支持。

［1］范林剛，陳澤宗，金燕，等，微波多普勒雷達海浪參數提取算法［J］.華中科技大學學報：自然科學版，2012，40（10）：21-24.

［2］Frisch A S，Holbrook J，Ages A B.Observations of a Summertime Reversal in Circulation in the Strait of Juan de Fuca［J］.J Gerophys Res，1981，86（C3）:2044-2048.

［3］Chapman R D，Shay L K，Graber H C，et al.On the Accuracy of HF Radar Surface Current Measurements:Intercomparisons with Ship-Based Sensors［J］.J GeophysRes，1997，102:18737-18748.

［4］Chapman R D，Graber H C.Validation ofHF Radar Measurements［J］.Oceangraphy，1997，10（2）:76-79.

［5］Chen Zhao，Zezong Chen，Yanni Jiang，et al.Exploration and Validation of Wave-Height Measurement Using Multifrequency HF Radar［J］.Journal ofAtmospheric and Oceanic Technology，2013，30（9）:2189-2202.

［6］Chen Zhao，Zezong Chen，Gengfei Zeng，et al.Evaluating Radial Current Measurement of Multi-frequency HF radar with Multi-Depth ADCP Data Duringa Small Storm［J］.Journal ofAtmospheric and Oceanic Technology，2015，32（5）:1071-1087.

［7］Ze-zong Chen，Lin-gang Fan，Chen Zhao，et al.Ocean Wave Directional Spectrum Measurement Using Microwave Coherent Radar with SixAntennas［J］.IEICE Electronics Express，2012，9（19）:1542-1549.

［8］LingangFan，ZezongChen，Xi Chen，et al.S-band Radar Measurement ofCorrelation Between Coastal Wave and Tide［J］.International Journal ofDigital Content Technologyand Its Applications（JDCTA），2012，6（19）:503-510.

Analysis on the Comparative Test Results of the Morse-3 S-Band Wave Radar

ZHU Li-ping，ZHANG Chuan，CHENG Shao-hua
National Center of Ocean Standard and Metrology，Tianjin 300112，China

To evaluate the effectiveness and observed results of the Morse-3 S-band wave radar，comparative tests were carried out using the MKIII wave rider buoy in the area adjacent to the Zhelang Island.The comparative tests show that the measuring results of all parameters using the Morse-3 S-band wave radar are slightly higher than those using the MKIII-wave rider buoy and they have high correlation.The average wave height and corresponding wave period have the best measuring results.The correlation coefficient of wave height is 0.936，and its error varying from（-0.1-0.1）m to（-0.2-0.2）m，with the probability of 58.59%and 99.38%，respectively.The error of wave period ranges（-1.5-1.5）s，with its probability of 64.18%.The standard deviation of the error is 0.50 s.

Morse-3 S-band wave radar；MKIII wave rider buoy；significant wave height；significant wave period；average wave height；average wave period

P715

A

1003-2029（2016）01-0030-06

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.01.004

2015-07-11

朱麗萍（1986-），女，碩士研究生，主要研究方向為海洋水文氣象儀器校準。E-mail：zhulipingouc2010@163.com