一种以二阶谱强度为参考的高频地波雷达一阶回波谱区域检测方法与流程

本发明涉及高频地波雷达海洋环境监测技术领域，具体涉及一种以二阶谱强度为参考的高频地波雷达一阶回波谱区域检测方法。

背景技术：

高频地波雷达利用3到30mhz的高频电磁波能够沿着海洋表面绕射而实现对海洋表面的超视距探测。目前，高频地波雷达已经被证明了是一种能够实现对海洋表面的全天候、大范围监测，并且不仅仅可以监测在海洋表面航行的船只，还能够实现海洋表面的风、浪、流等动力学要素的监测。我国具有漫长的海岸线，因此，高频地波雷达海洋环境监测技术的发展对于我国社会、经济建设都有重要的意义。

高频雷达接收到的海面回波主要包含由波长等于雷达发射电磁波波长一半的海浪产生的一阶bragg回波以及在海面上发生两次反射后进入接收机的二阶bragg回波。而且，二阶回波谱总是围绕在一阶回波谱周围。由于海洋表面流场和风场信息是利用一阶回波信号反演得到的。因此，准确的提取一阶回波信号对于流场和风场的反演至关重要。目前常用的一阶回波谱区域检测方法是差谱法。差谱法的核心思想就是利用一阶谱区与二阶谱区之间存在一个陡峭的下降沿来确定一阶海洋回波谱区。该方法在实际实现中需要预设多个参数，包括雷达探测区域内的最大流速值、信噪比阈值、计算噪声强度所用频点集合的位置、差谱平滑窗长度、差谱谷底或谷峰与邻近区域比较的范围等参数。这些参数在雷达建站的时候利用人工试错的方式确定，并且在之后很少改动这些参数。事实上，在雷达探测范围内整体流速大小比较稳定或者雷达探测范围内海况等级比较稳定的情况下，差谱法是能够比较准确的检测出回波的一阶峰区域。但是，雷达回波谱的形态随着海态的变化是会发生剧烈变化的。在同一雷达探测区域内，随着季节的变化，气候变化很大，导致海面上真实的海态产生很大的变化，最终致使雷达回波谱的形态产生变化。此时，差谱法需要根据海况调整预设参数才能保证一阶谱区检测结果的准确性。而在雷运行过程中，人为的经常性地调整差谱法的参数是不现实的。因此，急需更加稳健的一阶谱区检测方法来保证高频地波雷达在不同海况下的海流和海风测量性能。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种以二阶谱强度为参考的高频地波雷达一阶回波谱区域检测方法，使得高频地波雷达能够在不同海况下更加准确的识别出回波信号中的一阶回波谱区域。

本发明的技术方案为一种以二阶谱强度为参考的高频地波雷达一阶回波谱区域检测方法，具体包含以下步骤：

s1：根据雷达工作频率确定雷达回波谱中的二阶bragg峰位置；

s2：以二阶bragg峰为中心选取部分二阶谱频点，并计算这些二阶谱频点的平均能量强度；

s3：利用预先设定的最大流速值，筛选出频偏小于最大流速值对应的频偏的所有一阶峰频点；

s4：确定s3中选出的所有一阶峰频点中能量最强的频点；

s5：以s4中确定的能量最强频点为起点分别向左右两侧寻找首次小于s2中计算出来的平均能量强度的频点作为当前距离元上一阶多普勒谱的边界，位于左右边界内的频点即认为是一阶海洋回波。

进一步地，s1所述的二阶bragg峰位置的确定方法为：

雷达接收到的回波信号经过两次傅里叶变换之后得到距离-多普勒谱，对于任意距离元上的所有按频率从小到大排序的多普勒回波频点定义为p(n)，其中n∈[1,2,3,…n]是各个频点的索引，n是任意距离元上回波多普勒频点数，二阶bragg峰的频率为

其中fbb即为二阶bragg峰对应的多普勒频率；fb为一阶bragg频率；fc为以mhz为单位的雷达工作频率；而正二阶bragg峰的索引为：

对应的频点即为负二阶bragg峰的索引为：

对应的频点即为这里round(·)表示四舍五入到最近的整数；ts是雷达的慢时间维采样周期。

进一步地，s2所述的部分二阶谱频点一共包含9个频点，分别是以二阶bragg峰为中心的左右各4个频点，以及二阶bragg峰频点本身，对于正多普勒频率部分来说，其对应的部分二阶谱频点是而对于分多普勒频率来说则是另外这些频点的平均能量强度则是这些频点信号幅度的平均数。

进一步地，s3所述的根据预设最大流速值来筛选满足频偏的一阶峰频点可表示为：

|f-fb|＜fmax

其中，f是频点的多普勒频率；fb为一阶bragg频率；fmax是预设的最大流速对应的多普勒频移，为

这里，vmax就是预先设定的最大流速值；λ是雷达发射电磁波的波长。

本发明的有益效果是：

1、本发明提供了一种以二阶谱强度为参考的高频地波雷达一阶回波谱区域检测方法，相较于现有方法，该方法仅仅需要输入一个先验参数，省去了现有方法的参数调优过程；

2、本发明提供的高频地波雷达一阶回波谱区域检测方法适用于不同海况下的一阶谱区域检测，在高海况下，雷达接收到的海面回波增强，相应的基于二阶谱得到的信号强度阈值也增大，这样可以避免过强的二阶谱被误认为是一阶谱，在低海况下，虽然远距离的二阶谱回波可能已经不存在了，此时，基于二阶谱得到的阈值其实是噪声水平，因此，依然可以检测出高于此噪声水平的信号是一阶海洋回波信号；

3、雷达接收到的海洋回波本身就存在随着距离增加而逐渐减弱，利用二阶谱能量来作为一阶谱区域检测可以很好地适应一阶海洋回波的这种随距离增加而逐渐减弱的特性。

附图说明

图1：两次傅里叶变换后的距离-多普勒谱，黑色虚线指示二阶bragg峰位置；

图2：第13个距离元上的多普勒回波，黑色虚线指示正二阶bragg峰位置；

图3：利用预设的最大流速值，筛选频偏小于最大流速值对应的频偏的所有一阶峰频点示意图；

图4：查找指定范围内的能量最强频点；

图5：一阶海洋回波区域检测结果；

图6：本发明的算法流程。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图与实施例，对本发明做更加详细的说明，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合图1至图5介绍本发明的具体实施过程：

s1：根据雷达工作频率，确定二阶bragg峰在距离-多普勒谱中的位置；

s1所述的距离-多普勒谱是雷达接收到的回波经过两次傅里叶变换得到的随距离和多普勒频率变化的回波谱，图1展示了一个距离-多普勒谱的例子。相应的各个距离元上的二阶bragg峰的多普勒频率为：

其中fbb即为二阶bragg峰对应的多普勒频率；fb为一阶bragg频率；fc为以mhz为单位的雷达工作频率；而正二阶bragg峰的频点索引为：

负二阶bragg峰的索引为：

这里round(·)表示四舍五入到最近的整数；ts是雷达的慢时间维采样周期，n是频点数。图1中的两根黑色虚线分别指示了正负二阶bragg峰所处的多普勒频率位置。

接下来的步骤是逐个距离元处理，并且每个距离元上的回波分别对左右两半频谱做类似的处理以检测正负两部分一阶谱区域。

s2：以二阶bragg峰为中心选取部分二阶谱频点，并计算这些二阶谱频点的平均能量强度；

以第13个距离元上的正多普勒频率部分回波为例，如图2所示，黑色竖直虚线指示的是正二阶bragg峰，以该虚线为中心，向左右各取4个频点，一共是9个频点，对这9个频点的能量强度取平均，得到所需的一阶峰区域检测阈值。而对于负频率部分一阶峰区域的检测，相对应的检测阈值则是以负二阶bragg峰为中心向左右各取4个频点再求这些频点的平均能量强度。

s3：利用预先设定的最大流速值，筛选出频偏小于最大流速值对应的频偏的所有一阶峰频点；

s3所述的根据预设最大流速值来筛选满足频偏的一阶峰频点可表示为：

|f-fb|＜fmax

其中，f是多普勒频率；fb为一阶bragg频率；fmax是预设的最大流速对应的多普勒频移，为

这里，vmax就是预先设定的最大流速值；λ是雷达发射电磁波的波长。图3中阴影覆盖的频谱指示了根据预设的最大流速值(这里取最大流速值为0.9m/s，实际应用中可以根据历史资料来获取该流速值)得到的一阶峰最大频偏限定区域，而相应的如果是检测负多普勒频率部分，该部分的多普勒频率范围的上下限都取负数即可。

s4：确定s3中选出的所有正/负一阶峰频点中能量最强的频点；

s4所述的查找能量最强频点即是在最大流速值限定的频点内区域内查找能量最强的频点，图4展示了由图中限定的区域内找到的能量最强频点。

s5：以s4中确定的能量最强频点为起点分别向左右两侧寻找首次小于s2中计算出来的平均能量强度的频点作为当前距离元上一阶多普勒谱的边界，位于左右边界内的频点即认为是一阶海洋回波。

图5展示了根据以上步骤得到的一阶峰区域检测结果，其中阴影区域覆盖的频点就是当前距离元上正多普勒频率部分一阶海洋回波区域检测结果。同样的方法用在负多普勒频率部分可以检测负多普勒频率部分的一阶峰区域，而在每个距离元上执行正负一阶峰区域的检测则可实现整个距离-多普勒谱中一阶峰区域的检测。

图6最后总结了本说明所述的一阶峰区域检测方法的整个流程。

应当理解的是,上述针对步骤以及实施例的描述较为详细,并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制,本领域的普通技术人员在本发明的启示下,在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下,还可以做出替换或变形,均落入本发明的保护范围之内,本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。