文必洋 李艷 侯義東 楊靜

(武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院,武漢 430072)

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超高頻雷達(dá)海洋表面流的探測結(jié)果與分析

文必洋 李艷 侯義東 楊靜

(武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院,武漢 430072)

近岸海域地形、海流復(fù)雜,而超高頻雷達(dá)系統(tǒng)具有較高距離分辨率、小發(fā)射功率的特點(diǎn),波長介于高頻電磁波和微波之間,能同時提取海浪毛細(xì)波與重力波信息,與波浪作用比較敏感,能實(shí)現(xiàn)近海海洋動力參數(shù)的精細(xì)測量.不同于高頻雷達(dá)回波譜,超高頻雷達(dá)回波中一階峰、二階峰展寬嚴(yán)重并混疊在一起,難以劃分一階峰區(qū)域,因此,文中系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用數(shù)字波束形成進(jìn)行流速方位提取.雷達(dá)反演的流速結(jié)果與浮標(biāo)數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)為0.88,但是均方根誤差很大.通過分析,得出海洋表面流速不僅受到潮汐效應(yīng)、地球自轉(zhuǎn)的影響,當(dāng)?shù)仫L(fēng)速在很大程度上也會影響表面流速的結(jié)論.

超高頻雷達(dá);徑向流速;海洋回波;數(shù)字波束形成;風(fēng)速

DOI 10.13443/j.cjors.2016030901

引 言

近岸海洋動力學(xué)環(huán)境參數(shù)對海岸帶經(jīng)濟(jì)建設(shè)和海防建設(shè)都具有十分重要的意義,目前還缺乏有效的近岸海洋動力學(xué)參數(shù)的無線電遙感理論與技術(shù).在已有海洋遙感雷達(dá)技術(shù)中,高頻雷達(dá)監(jiān)測海流的技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟,已獲得廣泛應(yīng)用,但高頻雷達(dá)的距離分辨率較差,難以精細(xì)探測近岸海域的海流.X波段雷達(dá)雖然距離分辨率足夠高,但其在進(jìn)行海流反演時,有一個參數(shù)由經(jīng)驗(yàn)決定,該參數(shù)對海流反演起著決定性作用,若參數(shù)設(shè)置不合理將難以獲得準(zhǔn)確的海流結(jié)果[1].超高頻雷達(dá)波長介于高頻和微波之間,具有較高距離分辨率,與電磁波波長對應(yīng)的海浪仍然為重力波,且與波浪作用比較敏感,具有實(shí)現(xiàn)近海海洋動力參數(shù)精細(xì)測量的潛力.國際上最早關(guān)于利用超高頻雷達(dá)探測海洋的文獻(xiàn)是Curry等人利用TRADEX雷達(dá)觀測太平洋區(qū)域雜波記錄[2].1999年加拿大C-Core公司與紐芬蘭紀(jì)念大學(xué)聯(lián)合研制的超高頻相干多普勒雷達(dá)進(jìn)行了目標(biāo)檢測試驗(yàn)[3].美國CODAR公司利用超高頻雷達(dá)系統(tǒng)探測河流技術(shù)已經(jīng)取得相當(dāng)矚目的成果,該公司的RiverSonde已成為超高頻雷達(dá)監(jiān)測河流流量領(lǐng)域的主流產(chǎn)品[4-5].國內(nèi)該項(xiàng)技術(shù)發(fā)展起步較晚, 武漢大學(xué)最早利用超高頻雷達(dá)探測海洋,2007年在浙江朱家尖進(jìn)行第一次系統(tǒng)試驗(yàn)[6],同年11月在海南香水灣進(jìn)行天線不同極化方式的試驗(yàn)[7].2013年武漢大學(xué)雷達(dá)與信號處理實(shí)驗(yàn)室在福建六鰲完成超高頻雷達(dá)8通道接收海洋回波的試驗(yàn)[8].但是國內(nèi)外試驗(yàn)中均沒對超高頻雷達(dá)海洋回波進(jìn)行流處理的相關(guān)研究,對超高頻雷達(dá)系統(tǒng)探測海洋狀態(tài)參數(shù)的研究尚處于初步階段,海洋參數(shù)反演方法亟待研究.

本文研究的超高頻雷達(dá)波長接近1 m,與其產(chǎn)生Bragg后向散射的海浪波長約為0.5 m,為重力波,因此,高頻雷達(dá)監(jiān)測水體表面流的基本原理仍然適用[9].超高頻雷達(dá)在河道表面流探測方面已經(jīng)獲得成功,本文將超高頻用于海洋表面流探測,雷達(dá)獲得的表面流數(shù)據(jù)與現(xiàn)場浮標(biāo)獲得的海流數(shù)據(jù)相關(guān)性雖然很強(qiáng),但均方根誤差較大.本文將雷達(dá)反演的流速、浮標(biāo)流速與風(fēng)速三者聯(lián)系在一起分析,發(fā)現(xiàn)風(fēng)速在很大程度上影響超高頻雷達(dá)獲得的海洋表面流.即超高頻雷達(dá)獲得的海洋表面流速是一定深度的水體流速與風(fēng)生流速綜合作用的結(jié)果.

1 超高頻雷達(dá)測流原理與方法

1.1 超高頻雷達(dá)測流原理

基于Bragg散射機(jī)理和水波的重力色散關(guān)系[10],高頻地波雷達(dá)在監(jiān)測海洋參數(shù)方面已經(jīng)取得了矚目的成就[11].本文使用的超高頻雷達(dá)系統(tǒng),雷達(dá)工作頻段為340 MHz,設(shè)計(jì)的距離分辨率為10 m,由于雷達(dá)工作波長約為0.88 m,其半波長約0.44 m,與該波長對應(yīng)的水波仍然滿足重力波條件.因此,超高頻雷達(dá)可以使用與高頻雷達(dá)相同的機(jī)理,實(shí)現(xiàn)海洋表面流的探測.

(1)

式中：v為海流徑向速度;λ為電磁波波長;結(jié)合圖1所示的多普勒頻移示意圖(圖中橫軸代表歸一化多普勒頻率,縱軸代表回波信號的功率),Δf是有流速時的Bragg峰相對于無流速時的Bragg峰±fb的偏移量.已知偏移量的情況下,借助公式(1)即可求出徑向流速.

圖1 多普勒頻移示意圖

1.2 超高頻雷達(dá)測流方法

實(shí)現(xiàn)海洋狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測的基本原理是基于海浪對電磁波的Bragg散射作用,雷達(dá)電磁波與單列半波長波浪發(fā)生諧振形成一階峰,與兩列或多列波矢量相互作用形成二階譜.在無流時,回波譜中一階峰與二階譜是分離的,如圖2所示是武漢東湖的回波譜,湖相比海洋沒有流存在,可以看到譜不會展寬.在近岸海域地形、海流復(fù)雜,使一階譜和二階譜均有較大程度的展寬,且超高頻雷達(dá)波長短,二階譜極易飽和,造成一階譜與二階譜混疊,如圖3所示.

由于在河流中,河流流速大、流向單一,幾乎不存在不同方向的波矢量,回波譜中一階譜發(fā)生展寬,二階譜極其微弱,如圖4所示.通過劃分一階譜區(qū)、流速求取、MUSIC算法估計(jì)方位角提取河流流速信息.而在海洋回波譜中一階譜與二階譜混疊,難以利用上述方法提取流速.考慮到波束形成可以將信號轉(zhuǎn)換到空域,因此使用陣列波束形成得到特定方位的回波,此時的一階峰可以認(rèn)為是該方位的回波,最后根據(jù)偏移量提取該方位上的流速.

波束形成原理是通過對天線陣元接收數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)處理以控制天線陣的方向函數(shù),使天線陣方向圖在期望信號方向上產(chǎn)生高增益窄波束,也即在該方向上完成波束形成[12-13].

圖2 超高頻雷達(dá)東湖回波多普勒譜

圖3 海洋回波多普勒譜

圖4 河流回波多普勒譜

圖5是n元均勻線陣,θ為回波信號指向各天線陣元的方向角,d為相鄰陣元距離,λ為雷達(dá)回波信號波長,則相鄰陣元的空間相位差為[14]

(2)

圖5 均勻線陣天線接收特定來波方向信號示意圖

令Si表示第i個陣元接收到的來自θ方位角的信號,規(guī)定當(dāng)來波方向平行天線法向時θ=0,偏離天線法向左邊時θ<0,偏離天線法線方向右邊時θ>0,則接收信號可以表示為

(3)

式中：j2=-1;A0為回波信號的幅度;φ是基準(zhǔn)通道1的相位;ωi為第i個天線陣元的加權(quán)系數(shù).當(dāng)來波方向?yàn)棣?時,對回波信號進(jìn)行相位補(bǔ)償后的結(jié)果取絕對值[15],有

(4)

從式(4)可以看到當(dāng)θ在一定角度范圍內(nèi)進(jìn)行掃描,|Y0|最大值出現(xiàn)在θ=θ1處,即最大波束指向θ1來波方向.

海洋中雷達(dá)探測范圍內(nèi)的流向是四面八方的,而雷達(dá)探測到的流速是海流相對天線波束方向上的徑向流速.本文假設(shè)在一個觀測單元內(nèi)流向均勻單一,因此流速只反映在譜中一個頻率上,且回波譜中Bragg峰只可能同時向左或者向右偏移.由Barrick一階散射方程可知[16],歸一化Bragg頻率在±1,正負(fù)峰間距是2,有流存在時回波譜中Bragg譜峰同時向左或者向右偏移(取決于海流分量背離或者朝向雷達(dá)),他們之間的間距是固定不變的,如圖1中所示.無論有無流的存在,回波譜中一階峰是最強(qiáng)的,因此,波束形成后回波譜中最大值對應(yīng)該波束方向的回波,最后根據(jù)最大峰值的偏移量求取流速．

流速信息提取過程如圖6所示.首先,對雷達(dá)接收的單幀回波信號按距離分辨率進(jìn)行距離分離,然后進(jìn)行波束形成,使波束指向某一方向,最后對同一距離元的多幀回波信號進(jìn)行頻譜分析,得到回波信號的多普勒譜.從回波多普勒譜獲得Bragg峰最大值相對于無海流時的偏移量,利用公式(1)即可獲得該距離元上的徑向流速.

圖6 徑向流速提取過程

2 現(xiàn)場試驗(yàn)與結(jié)果提取

2.1 試驗(yàn)環(huán)境與雷達(dá)參數(shù)

2015年10月2日至10月28日武漢大學(xué)雷達(dá)與信號處理實(shí)驗(yàn)室在福建省福州市連江縣苔菉鎮(zhèn)進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn).此次試驗(yàn)中雷達(dá)架設(shè)在離海岸水平距離20 m,垂直距離6 m處的陸地上, 采用8元天線陣,距離分辨率為10 m,方位分辨率10°,具體雷達(dá)工作參數(shù)如表1所示.圖7為雷達(dá)、浮標(biāo)方位示意圖,雷達(dá)天線法向345°,在雷達(dá)接收天線法向的-15°方向,距離天線2.3 km處有一個波浪浮標(biāo)(該片海域唯一的浮標(biāo)),該浮標(biāo)最高能夠獲取水面下0.75 m處的矢量流速信息.

表1 超高頻雷達(dá)基本參數(shù)

圖7 雷達(dá)浮標(biāo)方位示意圖

2.2 流速提取

圖8為波束形成后的距離多普勒譜,圖中縱軸為雷達(dá)探測徑向距離,橫軸為歸一化多普勒頻率,截取特定距離元上的回波多普勒譜,按圖6所示過程提取流速信息,為了將流速結(jié)果與浮標(biāo)數(shù)據(jù)對比,文中針對浮標(biāo)所在觀測單元提取徑向流速.

為驗(yàn)證用于流速提取的多普勒頻點(diǎn)的有效性,統(tǒng)計(jì)用于計(jì)算流速的正負(fù)Bragg峰頻點(diǎn)之間的間距,結(jié)果如圖9所示,超過90%的正負(fù)Bragg峰間距在歸一化多普勒頻率2附近,對應(yīng)流速誤差不超過2個流速分辨單位.由此說明本文中用于流速提取的數(shù)據(jù)的可靠性.

圖8 距離多普勒譜

圖9 正負(fù)Bragg峰值差值統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖10 流速提取結(jié)果與浮標(biāo)徑向流速對比結(jié)果

圖10為雷達(dá)反演徑向流速與浮標(biāo)徑向流速對比結(jié)果.分析結(jié)果可知,雷達(dá)反演的徑向流速和浮標(biāo)的流速相關(guān)系數(shù)雖為0.88,但是雷達(dá)反演結(jié)果較浮標(biāo)數(shù)據(jù)均方根誤差為18 cm/s，偏大.在傳統(tǒng)方法中,利用浮標(biāo)監(jiān)測的海洋表面流指在海面以下特定處的流速,而利用超高頻雷達(dá)探測海洋時,雷達(dá)發(fā)射的電磁波與表面的海浪作用,監(jiān)測的海洋表面流相比浮標(biāo)更接近表面.CODAR公司RiverSonde雷達(dá)系統(tǒng)探測河流相關(guān)文章中提到風(fēng)在一定程度上對河流表面流速產(chǎn)生影響[17].可知海風(fēng)對海洋表面的作用是不容忽視的.

3 結(jié)果分析與討論

從2.2節(jié)中發(fā)現(xiàn)超高頻雷達(dá)反演得到的流速相對于浮標(biāo)數(shù)據(jù)整體偏大.經(jīng)查閱浮標(biāo)的相關(guān)數(shù)據(jù)說明,該浮標(biāo)最高可監(jiān)測海面下0.75 m處的海洋表面流速(安德拉海流計(jì),型號4100).超高頻雷達(dá)波長僅0.88 m,雷達(dá)發(fā)射的電磁波與海浪作用,測得流速是海洋表面下0.07 m處的流,參見文獻(xiàn)[18].由于海洋表面的流速不僅受到潮汐流、地球自轉(zhuǎn)等的影響,而且受到風(fēng)的影響.因此,我們考慮超高頻雷達(dá)探測的海洋表面流在一定程度上受到了風(fēng)的影響,也即雷達(dá)測得流速可以看作是浮標(biāo)中的海流流速與風(fēng)引起流速的總和.

因此,從浮標(biāo)中將風(fēng)速的相關(guān)數(shù)據(jù)提取出來,探究風(fēng)對海洋表面流的影響是否被超高頻雷達(dá)探測到.在海洋動力參數(shù)中,風(fēng)對海浪的作用呈心形曲線,也即二者滿足方向因子的關(guān)系[19],其中方向因子為:

(5)

式中：C為4π/3;s典型值為4;θ為雷達(dá)波束方向與海浪波列前進(jìn)方向的夾角;φ是雷達(dá)波束方向的方位角;φw為風(fēng)向方位角,由于只針對浮標(biāo)中風(fēng)速,無需考慮海浪前進(jìn)方向,因此忽略θ,且C是常系數(shù),也可忽略,則式(5)簡化為

(6)

借鑒公式(6)將風(fēng)速投影到雷達(dá)的徑向方向上,得到徑向風(fēng)速如圖11所示.結(jié)果顯示,該段時間內(nèi),當(dāng)?shù)睾Ｓ虼蟛糠謺r間吹北風(fēng),少數(shù)時刻吹南風(fēng).

經(jīng)查閱海港水文資料,可知,風(fēng)海流的流速可以按照式(7)估算[20]:

圖11 浮標(biāo)風(fēng)速投影到雷達(dá)徑向結(jié)果

Vu=lVw.

(7)

(a)

(b)

(c)

(d)圖12 2015年10月徑向流速對比結(jié)果

式中：Vu為風(fēng)海流的流速,單位是m/s;l是系數(shù),取值范圍為0.024≤l≤0.030;Vw為海面上平均10 m處的平均風(fēng)速,單位為m/s.由于本文中是小浮標(biāo),探測海面上方5 m左右的風(fēng)速,相比于10 m處的風(fēng)速要小,因此l取值較小,本文中選取l=0.020,利用公式(7)可以估算出風(fēng)海流的大小.將浮標(biāo)所得徑向流速與雷達(dá)測得流速之差與風(fēng)海流進(jìn)行對比,發(fā)現(xiàn)風(fēng)海流流速與浮標(biāo)雷達(dá)流速差值結(jié)果之間存在線性的關(guān)系,于是利用線性擬合:

Vradar=A·Vu+Vbouy+B.

(8)

Vbouy為浮標(biāo)探測的徑向流速;Vradar為雷達(dá)探測的徑向流速結(jié)果,通過線性擬合獲得最佳系數(shù)A和B,其中A=2.17,B=0.007,對比結(jié)果如圖12所示.

由于浮標(biāo)放置的深度會影響浮標(biāo)測得海流的速度,因此雷達(dá)浮標(biāo)流速之差與風(fēng)海流之間存在一定的線性關(guān)系,如式(8)中所示.通過圖12中對比結(jié)果可以看到Vbouy+Vu與Vradar呈現(xiàn)很好的相關(guān)性.分析結(jié)果可知,二者相關(guān)系數(shù)為0.82,均方根誤差為9 cm/s,相比之前減小一半,較好地說明了前面假設(shè)的正確性,即超高頻雷達(dá)探測到的海流流速在一定程度上受到海面上風(fēng)的影響,當(dāng)然還有未知的因素影響海表面流速,未來會繼續(xù)探究.

4 結(jié) 論

2015年10月在福建連江完成超高頻雷達(dá)探測近海流速的現(xiàn)場試驗(yàn),通過在正前方發(fā)射直達(dá)波對通道進(jìn)行校準(zhǔn),利用波束形成進(jìn)行徑向流速的提取,雷達(dá)反演的流速結(jié)果與浮標(biāo)數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)較高,但是均方根誤差很大.通過分析,得出超高頻雷達(dá)探測的海洋表面流速接近表皮流,不僅受到潮汐效應(yīng)、地球自轉(zhuǎn)的影響,當(dāng)?shù)仫L(fēng)速在一定程度上也會影響雷達(dá)探測表面流速結(jié)果的結(jié)論.

本文是超高頻雷達(dá)探測海洋中海流參數(shù)的首次嘗試,由于超高頻雷達(dá)波長是分米波,與海浪作用比較敏感,探測的只是海洋表面流,未來還有大量工作需要展開,在后續(xù)的工作中將繼續(xù)探究風(fēng)引起表面流的具體作用機(jī)理,以及探究其他因素對海洋表面流的作用.

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文必洋 (1963-),男,湖北人,武漢大學(xué)電子信息學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師,主要從事雷達(dá)信號處理方面的研究.

李艷 (1991-),女,新疆人,武漢大學(xué)電子信息學(xué)院電路與系統(tǒng)專業(yè)碩士,研究方向?yàn)槔走_(dá)信號處理.

侯義東 (1992-),男,安徽人,武漢大學(xué)電子信息學(xué)院電路與系統(tǒng)專業(yè)碩士,研究方向?yàn)槌哳l雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及雷達(dá)信號處理.

楊靜 (1983-),女,湖北人,武漢大學(xué)電子信息學(xué)院講師,從事雷達(dá)信號處理方面的研究.

Results and analysis of surface current based on UHF radar

WEN Biyang LI Yan HOU Yidong YANG Jing

(SchoolofElectronicsandInformation,WuhanUniversity,Wuhan430072,China)

Ultra high frequency(UHF) radar has the characteristics of high range resolution and low-power, which can extract information of both capillary wave and gravity wave with the wavelength between high frequency and microwave.It is possible to obtain precise monitoring of the coastal ocean dynamics parameters by UHF radar, though the offshore topography and ocean surface current are complex.UHF radar is different from HF radar, since the first-order peak and second-order spectrum are indistinguishable in the sea echo spectrum.It is difficult to extract first-order peak, therefore, multiple signal classification algorithm (MUSIC)is unavailable and digital beam-forming(DBF) is used in extracting the radial velocity.After a month,the radar and buoy datais highly correlated with a coefficient of 0.88, however,the root mean square error is large.The results show that the velocity of the ocean surface is influenced not only by the tidal effect and the rotationof the earth, but also by the local wind speed.

UHFradar;radial velocity;sea echo;digital beam-forming;wind speed

文必洋, 李艷, 侯義東, 等.超高頻雷達(dá)海洋表面流的探測結(jié)果與分析[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào),2016,31(5):941-947.

10.13443/j.cjors.2016030901

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2016-03-09

國家自然科學(xué)基金(61371063);國家重大科學(xué)儀器開發(fā)專項(xiàng)(2013YQ160793)

TN 958.93

A

1005-0388(2016)05-0941-07

聯(lián)系人：文必洋 E-mail：bywen@whu.edu.cn