专利名称：双极化x波段雷达海浪参数测量系统的利记博彩app
技术领域：
本发明属于海洋动力要素监测领域，具体是能够实现实时采集海浪数据和实时提供海浪参数的双极化X波段雷达海浪参数测量系统。
背景技术：
海浪是海洋中重要的物理参数之一，对海洋工程建设，军事活动以及海洋学研究有着重要的意义。海浪按其观测方法分为传统的现场直接观测和遥感观测两种方式。现场观测，例如，浮球、浮标等，其直接接触海水测量海浪参数，有单点测量，观测范围有限等缺点。而遥感观测，与传统的现场直接观测相比较具有观测范围大等优点，但也有相应的缺点，例如卫星重复采样率低，高频地波在近岸有几公里的盲区。X波段雷达海浪参数测量仪可以弥补它们的不足，具有较高的时间和空间分辨率，实时获得海浪参数的能力。X波段雷达海浪参数测量仪利用其海表面电磁回波的海杂波图像获得海浪参数，目前，已经进入商业化阶段X波段船用雷达观测海浪，海流参数的仪器有(例如德国的WaMoS II和挪威的WAVEX)，都是基于水平极化天线(HH)的船用导航雷达改装而成，船载雷达工作在掠地角，掠地角下的雷达成像机理十分复杂，几十年来，前辈们一直致力于研究掠地角下的雷达成像机制，实验结果和理论分析发现，在小风速和缺少重力波情况下，水平极化天线对海表面成像主要以离散的散射单元为主，而垂直极化天线对海表面的成像机理主要以分布纹理为主，这样的成像机理将影响水平极化雷达探测小波浪的能力，而垂直极化天线在小波浪探测能力上将会有很大的提高。在大风浪时，HH极化天线雷达回波中海尖峰信号较强烈，这些海尖峰信号可能来自于波浪破碎，束缚波等非布拉格散射信号，但对VV极化天线的雷达信号影响较小，这样，VV极化天线更适合于海浪参数的探测。但由于水平极化和垂直极化的成像机制不同，垂直极化更加有利于海浪的探测。在此背景下，我们研发了水平极化天线(HH)和垂直极化天线(VV)海浪测量仪，国内外利用水平极化天线和垂直极化天线的X波段雷达海浪测量仪没有公开过。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够全天候，快速、准确的获取近岸海杂波数据并实时提供海浪参数的双极化X波段雷达海浪参数测量系统。
为了实现上述目的本发明的采用技术方案如下一种双极化X波段雷达海浪参数测量系统，包括一雷达，所述雷达由雷达主机及与雷达主机通讯连接的双极化天线组成；所述雷达主机一输入端与雷达控制单元连接，接收控制单元的控制信号；所述雷达主机一输出端与显示器连接，显示未处理的海杂波视频信号；所述雷达主机另一输出端通过通讯接口与计算机的数据采集模块连接；所述数据采集模块采集雷达主机输出的视频信号，并将视频信号转换为数字信号存储于计算机的存储单元，计算机通过数据处理程序处理数字信号，通过显示单元显示海浪参数信息；所述计算机通过I/O接口与极化切换控制模块连接，所述计算机通过极化切换控制模块与双极化天线控制连接；所述双极化天线一端与雷达主机通讯连接，另一端通过与极化切换控制模块连接。
所述双极化天线包括HH极化和VV极化，双极化天线为360度自由旋转结构。所述数据采集模块主要由A/D采集器合中断计数器组成；计算机中央处理器接收A/D采集器和中断计数器的数字信号通过存储单元存储。所述极化切换控制模块主要由波导开关和极化切换器组成，所述极化切换器通过计算机I/O接口与计算机中央处理器连接；所述极化切换器通过波导开关控制HH极化或VV极化连通。
所述计算机数据处理程序中垂直极化雷达数据的调制传递函数确定步骤如下 第一步，采集海表面图像数据 通过垂直极化天线扫描海表面，将雷达采集的回波数据存储于计算机存储单元(本例为磁盘阵列)。
第二步，雷达三维波数频率图像谱计算 选择连续32幅雷达图像序列应用三维离散傅里叶变换获得三维波数频率图像谱，即 P(kx，ky，ω)＝|FFT(I(x，y，t))|2 (1) 公式(1)中，P为三维波数频率谱，I为雷达图像序列。x，y为二维坐标系，t为时间序列。kx和ky为波数k的x和y方向的两个分量，ω为角频率。
第三步，流速，流向估算 基于受多普勒影响的重力波弥散方程，应用最小二乘法原理迭代估算流速和流向，即流速和流向估算公式如下。
公式(2)中，ux和uy是流速的x和y方向的分量。g为重力加速度，ω为角频率，k为波数，kx和ky是波数k的x和y方向的分量，d为水深。P为三维波数频率谱。
第四步，雷达二维图像谱计算 由估算的流速和流向，根据受多普勒影响的弥散方程对雷达三维波数频率谱积分滤波，获得雷达二维波数谱。
公式(3)中，Ψr(kx，ky)是二维雷达波数谱，P为三维雷达波数频率谱，g为重力加速度，ω为角频率，k为波数，kx和ky是波数k的x和y方向的分量，d为水深。
为表面流速向量。
第五步，雷达一维波数谱计算 根据海浪谱之间的转换关系，计算雷达一维波数谱。即， 公式(4)中，
为雷达二维波数谱，k为波数，Fr(k)为雷达一维波数谱。
第六步，浮标一维频谱估算 由浮标观测记录的海表面的波面位移序列x(t)，观测时间约为17分钟，0.5秒采样间隔，记录2048个波面位移值。根据经典的相关函数法估算浮标一维频谱。具体步骤如下， 首先，计算相关函数 τ＝υΔt，υ＝0，1，2，…m 公式(5)中R为相关函数值，Δt为采样间隔，N＝2048. 第二，粗谱的估算 n＝0，1，2，…，m 公式(6)中L为粗谱值，R为相关函数值。
第三，粗谱的平滑 S(ω)＝0.25Ln-1+0.5Ln+0.25Ln+1(7) 公式(7)中S(ω)是浮标一维频率谱，L为粗谱值。
第七步，浮标一维波数谱计算 由一维频率谱计算一维波数谱 公式(8)中Fis(k)是浮标一维波数谱，S(ω)为浮标一维频率谱。
第八步，调制传递函数的定义 |M(k)|2＝Fr(k)/Fis(k)(9) 公式(9)中|M(k)|2为调制传递函数，为Fr(k)雷达一维波数谱，Fis(k)为浮标一维波数谱。
第九步，调制传递函数指数值的确定 根据具有指数幂形式(即，|M(k)|2∝kβ)的调制传递函数，利用现场实验数据拟合调制传递函数参数。
对调制传递函数两边去对数，即 log(|M(k)|2)＝β·log(k)(10) 公式(10)中，k为波数，|M(k)|2为调制传递函数。β根据浮标和雷达观测数据利用最小二乘法拟合获得。
第十步，二维海浪谱的修正 利用估算的垂直极化调制传递函数对根据多普勒影响的重力波弥散关系获得的雷达二维图谱进行修正；经过垂直极化调制函数修正后的海浪谱能提高海浪参数估算的准确度和精度。
本发明的有益效果是 1、本发明双极化X波段雷达海浪参数测量系统通过双极化天线(HH极化或VV极化)观测海浪参数，有效的提高了海浪参数的观测精度和海浪观测范围(即，在海浪上垂直极化天线雷达能够探测0.5以上的海浪参数，且在海浪参数观测精度上优于水平极化天线)。
2、本发明双极化X波段雷达海浪参数测量系统是全天候可靠的海浪监测设备，能够架设岸边，不用接触海表面，实时，高效，准确的提供海浪参数信息，维护费用低，简单易操作，能够进行长期岸边监测。
图1是本发明的整体结构框图。
图2是本发明的数据采集模块框图。
图3是本发明的极化切换模块框图。
图4是本发明的数据处理程序流程图。
具体实施例方式 下面结合附图1、2、3对本发明具体描述，一种双极化X波段雷达海浪参数测量系统，包括一雷达，所述雷达由雷达主机2及与雷达主机2通讯连接的双极化天线1组成；所述双极化天线1一端与雷达主机2通信连接，另一端与极化切换控制模块8连接，所述双极化天线1包括HH极化和VV极化，双极化天线1为360度自由旋转结构，可以360度连续自由旋转水平或垂直扫描海表面。
所述雷达主机2一输入端与雷达控制单元3连接，接收雷达控制单元3的控制信号，雷达控制单元3设置雷达发射参数；所述雷达主机2一输出端与显示器4(LCD显示器)连接；所述雷达主机2另一输出端通过通讯接口与计算机的数据采集模块5连接；雷达主机2发射波长3cm的X波段的微波至双极化天线1，并接收来自双极化天线1采集的海表面的海杂波信号，雷达主机2通过显示器4直接显示双极化天线1采集的未处理的海杂波视频图像信号。
所述计算机6与极化切换控制模块8连接，所述计算机6通过极化切换控制模块8与双极化天线1控制连接；所述极化切换控制模块8主要由波导开关13和极化切换器14组成，所述极化切换器14一端通过计算机I/O接口与计算机中央处理器11连接，另一端通过波导开关13切换控制HH极化或VV极化连通。
所述数据采集模块5主要由A/D采集器9和中断计数器10组成，计算机中央处理器11接收A/D采集器9和中断计数器10的数字信号通过存储单元12存储。所述数据采集模块5通过A/D采集器9采集雷达主机2输出的视频信号，并将视频信号转换为数字信号存储于计算机6的存储单元12，计算机6通过中断计数器10采集雷达主机2中双极化天线1的方位信息和北方向信息并存储于计算机6的存储单元12；计算机6通过数据处理程序处理数字信号，通过计算机6的显示单元7实时显示海浪参数信息。
所述计算机数据处理程序为 程序初始化，中央处理器发送极化切换指令，然后进行判断是否接收到反馈信息； 若为否，则重复发送极化切换指令； 若为是，则返回极化切换成功； 中央处理器采集雷达回波数据并将数据存储到存储单元； 一方面，实现PPI成像； 另一方面，读取存储单元的数据文件，利用临近法插值成为连续的时间序列文件； 将连续的时间序列文件进行三维离散傅里叶变换后得到三维波数频率图像谱信息； 将三维波数频率图像谱信息根据多普勒流速影响的重力波弥散关系利用最小二乘迭代算法，估算近表面流速、流向。
再将估算的近表面流速、流向信息及上述三维波数频率图像谱信息，通过多普勒影响的重力波弥散关系滤波，获得滤波后的二维图像谱信息； 并利用指数幂的调制传递函数对图像谱修正获得海浪谱； 通过海浪谱一方面计算出波周期和波向； 另一方面计算出信噪比，根据信噪比的开方与有效波高的线性关系计算有效波高； 最后将海浪参数通过显示单元显示出来。
上述数据处理程序中，因调制传递函数能够减小雷达图像谱和浮标海浪谱的差别，对准确估算海浪参数有至关重要的作用。所以关键步骤在于对垂直极化雷达数据的调制传递函数确定。然而，针对未知的垂直极化雷达的调制传递函数，本发明利用现场浮标和雷达数据获得了垂直极化雷达的调制传递函数。垂直极化雷达数据的调制传递函数的确定方法，包括以下步骤 第一步，采集海表面图像数据 通过垂直极化天线扫描海表面，将雷达采集的回波数据存储于计算机存储单元(本例为磁盘阵列)。
第二步，雷达三维波数频率图像谱计算 选择连续32幅雷达图像序列应用三维离散傅里叶变换获得三维波数频率图像谱，即 P(kx，ky，ω)＝|FFT(I(x，y，t))|2(1) 公式(1)中，P为三维波数频率谱，I为雷达图像序列。x，y为二维坐标系，t为时间序列。kx和ky为波数k的x和y方向的两个分量，ω为角频率。
第三步，流速，流向估算 基于受多普勒影响的重力波弥散方程，应用最小二乘法原理迭代估算流速和流向，即流速和流向估算公式如下。
公式(2)中，ux和uy是流速的x和y方向的分量。g为重力加速度，ω为角频率，k为波数，kx和ky是波数k的x和y方向的分量，d为水深。P为三维波数频率谱。
第四步，雷达二维图像谱计算 由估算的流速和流向，根据受多普勒影响的弥散方程对雷达三维波数频率谱积分滤波，获得雷达二维波数谱。
公式(3)中，Ψr(kx，ky)是二维雷达波数谱，P为三维雷达波数频率谱，g为重力加速度，ω为角频率，k为波数，kx和ky是波数k的x和y方向的分量，d为水深。
为表面流速向量。
第五步，雷达一维波数谱计算 根据海浪谱之间的转换关系，计算雷达一维波数谱。即， 公式(4)中，
为雷达二维波数谱，k为波数，Fr(k)为雷达一维波数谱。
第六步，浮标一维频谱估算 由浮标观测记录的海表面的波面位移序列x(t)，观测时间约为17分钟，0.5秒采样间隔，记录2048个波面位移值。根据经典的相关函数法估算浮标一维频谱。具体步骤如下， 首先，计算相关函数 τ＝υΔt，υ＝0，1，2，…m 公式(5)中R为相关函数值，Δt为采样间隔，N＝2048. 第二，粗谱的估算 n＝0，1，2，…，m 公式(6)中L为粗谱值，R为相关函数值。
第三，粗谱的平滑 S(ω)＝0.25Ln-1+0.5Ln+0.25Ln+1(7) 公式(7)中S(ω)是浮标一维频率谱，L为粗谱值。
第七步，浮标一维波数谱计算 由一维频率谱计算一维波数谱 公式(8)中Fis(k)是浮标一维波数谱，S(ω)为浮标一维频率谱。
第八步，调制传递函数的定义 |M(k)|2＝Fr(k)/Fis(k)(9) 公式(9)中|M(k)|2为调制传递函数，为Fr(k)雷达一维波数谱，Fis(k)为浮标一维波数谱。
第九步，调制传递函数指数值的确定 根据具有指数幂形式(即，|M(k)|2∝kβ)的调制传递函数，利用现场实验数据拟合调制传递函数参数。
对调制传递函数两边去对数，即 log(|M(k)|2)＝β·log(k)(10) 公式(10)中，k为波数，|M(k)|2为调制传递函数。β根据浮标和雷达观测数据利用最小二乘法拟合获得。
第十步，二维海浪谱的修正 利用估算的垂直极化调制传递函数对二维图谱进行修正；经过垂直极化调制函数修正后的海浪谱能提高海浪参数(例如有效波高，波周期，波向参数)估算的准确度和精度。
例，表1中以一组实测数据拟合指数β(2009年03月25日07:52浮标和垂直极化雷达数据) 表1 表2为不同时间，不同海况下浮标和雷达实测数据调制传递函数的指数拟合结果。水平极化调制函数指数的均值为1.17，垂直极化调制传递函数的均值为1.23。
表2 实施例 如图1所示，雷达主机2发射电磁波信号到双极化天线1，双极化天线1进行360°扫描海表面，同时接收来自海表面的散射雷达信号，并通过与雷达主机2连接的显示器4显示未经处理过的雷达杂波视频信号，同时通过数据采集模块5将雷达视频数据和方位信息数字化存储于存储单元12中(本例为磁盘阵列)。通过雷达数据处理程序成像雷达PPI(Plane Position Indicator)图像和显示海浪参数信息。双极化天线1架设在岸边，要求双极化天线1和扫描区域无障碍且风速大于3m/s。
如图2所示，雷达海表面回波的视频信号通过A/D采集器9转换为数字信号将幅度值转换为256级灰度以十六进制文件(.dat)存储于存储单元12，天线的方位信息和北方向信息经由中断计数器10以十六进制文件(.idx)存储与存储单元12。计算机数据处理程序利用存储单元12的数据实时成像PPI输出雷达图像至计算机6的显示单元7，并输出海浪参数结果。
如图3，计算机中央处理器11发送切换指令到极化切换控制模块8，极化切换器14将指令发送到波导开关13，波导开关13切换双极化天线1的极化方式。
本发明为岸基架设，能实时，快速，准确获得雷达海杂波数据和海浪参数。把雷达主机2的视频信号进行数字化处理获得海杂波的幅度数据，存储于计算机6的存储单元7，经数据处理程序处理后，显示重要的海浪参数(例如有效波高，波周期，波向参数)。
本发明技术指标 雷达主要性能指标如下 波段X波段，波长3cm 天线极化方式HH极化，VV极化 脉冲宽度和重复频率0.07us/4000Hz 波束宽度HH极化a)水平1°，垂直20° VV极化b)水平1°12’，垂直20.5° 发射功率，25kw 2)采集卡技术指标 采集速度100MHz，40MHz，20MHz 图像幅数32——128幅
权利要求
1.一种双极化X波段雷达海浪参数测量系统，包括一雷达，其特征在于，
所述雷达由雷达主机及与雷达主机通讯连接的双极化天线组成；
所述雷达主机一输入端与雷达控制单元连接，接收控制单元的控制信号；
所述雷达主机一输出端与显示器连接，显示未处理的海杂波视频信号；
所述雷达主机另一输出端通过通讯接口与计算机的数据采集模块连接；
所述数据采集模块采集雷达主机输出的视频信号，并将视频信号转换为数字信号存储于计算机的存储单元，计算机通过数据处理程序处理数字信号，通过显示单元显示海浪参数信息；
所述计算机通过I/O接口与极化切换控制模块连接，所述计算机通过极化切换控制模块与双极化天线控制连接；
所述双极化天线一端与雷达主机通讯连接，另一端通过与极化切换控制模块连接。
2.根据权利要求1所述双极化X波段雷达海浪参数测量系统，其特征在于，所述计算机数据处理程序中垂直极化雷达数据的调制传递函数确定步骤如下
第一步，采集海表面图像数据
通过垂直极化天线扫描海表面，将雷达采集的回波数据存储于计算机存储单元(本例为磁盘阵列)。
第二步，雷达三维波数频率图像谱计算
选择连续32幅雷达图像序列应用三维离散傅里叶变换获得三维波数频率图像谱，即
P(kx，kv，ω)＝|FFT(I(x，y，t))|2 (1)
公式(1)中，P为三维波数频率谱，I为雷达图像序列。x，y为二维坐标系，t为时间序列。kx和ky为波数k的x和y方向的两个分量，ω为角频率。
第三步，流速，流向估算
基于受多普勒影响的重力波弥散方程，应用最小二乘法原理迭代估算流速和流向，即流速和流向估算公式如下。
公式(2)中，ux和uy是流速的x和y方向的分量。g为重力加速度，ω为角频率，k为波数，kx和ky是波数k的x和y方向的分量，d为水深。P为三维波数频率谱。
第四步，雷达二维图像谱计算
由估算的流速和流向，根据受多普勒影响的弥散方程对雷达三维波数频率谱积分滤波，获得雷达二维波数谱。
公式(3)中，Ψr(kx，ky)是二维雷达波数谱，P为三维雷达波数频率谱，g为重力加速度，ω为角频率，k为波数，kx和ky是波数k的x和y方向的分量，d为水深。
为表面流速向量。
第五步，雷达一维波数谱计算
根据海浪谱之间的转换关系，计算雷达一维波数谱。即，
公式(4)中，
为雷达二维波数谱，k为波数，Fr(k)为雷达一维波数谱。
第六步，浮标一维频谱估算
由浮标观测记录的海表面的波面位移序列x(t)，观测时间约为17分钟，0.5秒采样间隔，记录2048个波面位移值。根据经典的相关函数法估算浮标一维频谱。具体步骤如下，
首先，计算相关函数
τ＝υΔt，υ＝0，1，2，…m
公式(5)中R为相关函数值，Δt为采样间隔，N＝2048.
第二，粗谱的估算
n＝0，1，2，…，m
公式(6)中L为粗谱值，R为相关函数值。
第三，粗谱的平滑
S(ω)＝0.25Ln-1+0.5Ln+0.25Ln+1 (7)
公式(7)中S(ω)是浮标一维频率谱，L为粗谱值。
第七步，浮标一维波数谱计算
由一维频率谱计算一维波数谱
公式(8)中Fis(k)是浮标一维波数谱，S(ω)为浮标一维频率谱。
第八步，调制传递函数的定义
|M(k)|2＝Fr(k)/Fis(k)(9)
公式(9)中|M(k)|2为调制传递函数，为Fr(k)雷达一维波数谱，Fis(k)为浮标一维波数谱。
第九步，调制传递函数指数值的确定
根据具有指数幂形式(即，|M(k)|2∝kβ)的调制传递函数，利用现场实验数据拟合调制传递函数参数。
对调制传递函数两边去对数，即
log(|M(k)|2)＝β·log(k) (10)
公式(10)中，k为波数，|M(k)|2为调制传递函数。β根据浮标和雷达观测数据利用最小二乘法拟合获得。
第十步，二维海浪谱的修正
利用估算的垂直极化调制传递函数对根据多普勒影响的重力波弥散关系获得的雷达二维图谱进行修正；经过垂直极化调制函数修正后的海浪谱能提高海浪参数估算的准确度和精度。
3.根据权利要求1所述双极化X波段雷达海浪参数测量系统，其特征在于，所述双极化天线包括HH极化和VV极化，双极化天线为360度自由旋转结构。
4.根据权利要求1所述双极化X波段雷达海浪参数测量系统，其特征在于，所述数据采集模块主要由A/D采集器和中断计数器组成；计算机中央处理器接收A/D采集器和中断计数器的数字信号通过存储单元存储。
5.根据权利要求1所述双极化X波段雷达海浪参数测量系统，其特征在于，所述极化切换控制模块主要由波导开关和极化切换器组成，所述极化切换器通过计算机I/O接口与计算机中央处理器连接；所述极化切换器通过波导开关控制HH极化或VV极化连通。
全文摘要
一种双极化X波段雷达海浪参数测量系统，包括一雷达，所述雷达由雷达主机及与雷达主机通讯连接的双极化天线组成；所述雷达主机与计算机的数据采集模块连接；所述数据采集模块将雷达输出的视频信号转换为数字信号存储于计算机的存储单元；所述计算机通过I/O接口与极化切换控制模块连接，所述计算机通过极化切换控制模块与双极化天线控制连接；所述双极化天线一端与雷达主机通讯连接，另一端通过与极化切换控制模块连接。本系统可全天候，实时，高效准确提供近岸海域海浪参数信息，安全不易丢失、维护费用低、工作稳定可靠，简单易操作，能够进行长期观测。因此，本发明具有很好的应用价值和市场前景。
文档编号G01S13/00GK101639536SQ20091001795
公开日2010年2月3日 申请日期2009年8月21日 优先权日2009年8月21日
发明者何宜军, 崔利民, 辉 申, 汪学刚, 陈祝明, 朱晓章 申请人:中国科学院海洋研究所