回波脉冲序列，相当于在有效时间段内载波脉冲的幅度和相 位受到了调制。设调制函数为A(t)，其对应的频谱就是雷达回波多普勒谱，它是个复频谱。 假设雷达海洋回波信号的功率谱形式为：
[0034] 由于雷达回波总会收到各种噪声的干扰，因此雷达回波中噪声和信号的合成功率 谱统计模型可写为：
[0036] 其中，S(f)表示的是标准的雷达回波信号功率谱；D(f)是噪声和信号的合成功率 谱；σ pp表示在不同极化方式下的雷达回波后向散射强度；Θ i表示雷达掠射角；δ fpp表示 不同极化方式下的有效谱宽；N。表示噪声功率谱；fd表示多普勒谱中心频率；f和m分别表 示多普勒谱频点和正整数。
[0037] 步骤1，利用上式得到多普勒谱，从多普勒谱的两边各选取5%的点作为左右噪声 区间，分别计算左右噪声区间的噪声平均值Noise lefJP Noise "ght，并将两者之中的较大值 作为噪声区间的初始门限 Noisethrehcild，即 Noisethrehcild= max (Noise left, Noiseright) 〇
[0038] 步骤2,从多普勒谱最大幅值开始，向左依次查找，直到多普勒谱幅值等于初始门 限，将该幅值所对应的频率作为信号区间的左边界f lrft。同理，从多普勒谱最大幅值向右查 找获得信号区间的右边界 fright ' 且有 fleft< f right0
[0039] 步骤3,记第一次积分区间B。= [f lrft，f"ght]，将该区间作为雷达回波多普勒谱的 信号区间。
[0040] 步骤4,步骤2与步骤3中所述的谱矩法估计多普勒频移是依照如下公式实现的：
[0042] 其中，匕表示多普勒谱的频点，S(f\)表示多普勒谱每个频点所对应的幅值，仁表 示η次迭代估计的多普勒谱频移，η表示迭代次数。
[0043] 因此，在积分区间Β。内按照以下公式第一次估计多普勒频移：
[0045] 其中，匕表示在多普勒谱的Β。区间内的频点；f。表示第一次得到的多普勒谱频移； S(fj表示该区间内多普勒谱每个频点所对应的幅值。
[0046] 步骤5,以步骤4中利用谱矩法得到的初始频移f。为对称中心，两边同时增加相 同的带宽AB。，且ΔΒ。满足AB Q=min(|fQ-fleft|，|f；lght-f Q|)，此时的积分区间变为B1 = [f0- Δ B0, f0+ Δ B0] 〇
[0047] 步骤6,在步骤5中所得到的新的积分区间B1内再次使用谱矩法估计多普勒谱频 移便可得到经过第一次迭代后的频移A，接着以A为对称中心，两边同时增加相同的带宽 Δ B1，其中Δ B1= min (I f ^fleft I，I Ifright-!^ I)从而得至Ijff的积分区间B2。在积分区间B2内 再次使用谱矩法估计多普勒谱频移得到第二次迭代的频移f 2，以此类推，一直重复η次得到 第η次迭代后的频移仁，且第η次迭代后两边同时增加相同的带宽ΔΒη的表达式为AB n = min (I fn-fleft I，I fright-fn I)。
[0048] 步骤7,基于已经得到迭代的多普勒频移进行频移收敛性判断，若fn= fn i，fn表示 η次迭代估计的多普勒谱频移，η表示迭代次数；则将fn作为该多普勒谱中心频率的最佳估 计值，若不等，则继续重复迭代直至相等。
【主权项】
1. 一种基于频移迭代的多普勒谱中心频率估计方法，其特征在于：包括以下步骤： 步骤1，通过实测多普勒谱初步确定噪声基底，并将该噪声基底作为门限，利用截断法 实现信号和噪声的初步分离；转步骤2 ; 步骤2,对截断后剩余的多普勒谱采用谱矩法第一次估计多普勒频移；转步骤3 ; 步骤3,以该多普勒频移为对称中心，两边同时增加相同的带宽构成新的积分区间，对 新积分区间内的多普勒谱再次利用谱矩法估计多普勒频移；转步骤4 ; 步骤4,重复步骤3,经过数次迭代后，进行收敛性判断，得到多普勒频移的收敛结果， 并将该结果作为多普勒谱中心频率的最佳估计值。2. 根据权利要求1所述的基于频移迭代的多普勒谱中心频率估计方法，其特征在于： 步骤1所述的截断法实现信号和噪声的初步分离的具体方法包括以下子步骤： 步骤1. 1，在实测多普勒谱的两边各选取5%的点作为左右噪声区间，分别计算左右噪 声区间的噪声平均值N〇iselefdPNoise"ght，并将两者之中的较大值作为噪声区间的门限 Noisethreh〇ld，即Noisethreh〇ld=max(Noiseleft，Noiseright); 步骤1. 2,从多普勒谱最大幅值开始，向左依次查找，直到多普勒谱幅值等于门限值，将 该幅值所对应的频率作为信号区间的左边界同理，从多普勒谱最大幅值向右查找获 得信号区间的右边界fright' 且有fleft<fright; 步骤1. 3,记积分区间仏=[flrft，f"ght]，将该区间作为回波多普勒谱的信号区间。3. 根据权利要求2所述的基于频移迭代的多普勒谱中心频率估计方法，其特征在于： 步骤2与步骤3中所述的谱矩法估计多普勒频移是依照如下公式实现的：其中，匕表示多普勒谱的频点，S(f\)表示多普勒谱每个频点所对应的幅值，fn表示估 计的多普勒谱频移，η表示迭代次数。4. 根据权利要求3所述的基于频移迭代的多普勒谱中心频率估计方法，其特征在于： 所述步骤3中，进行第一次迭代时是以第一次利用谱矩法得到的初始频移f。为对称中心， 两边同时增加相同的带宽ΔΒ。，且ΔΒ。满足ABQ=min(|fQ_fleft|，|fright-fQ|)，此时的积分 区间变为队=[f^ΔΒ。，&+ΔΒ。];所得到的新的积分区间队内再次使用谱矩法估计多普勒 谱频移可得到经过第一次迭代后的频移Α，接着以Α为对称中心，两边同时增加相同的带 宽ABi，其中ABi=min(|f「4」，从而得到新的积分区间B2;在积分区间B；； 内再次使用谱矩法估计多普勒谱频移得到第二次迭代的频移f2，以此类推，一直重复η次得 到第η次迭代后的频移fn。5. 根据权利要求4所述的基于频移迭代的多普勒谱中心频率估计方法，其特征在于： 所述步骤4中，经过了η次迭代，得到了第η次谱矩法估计频移后，进行收敛性判断，若满足 fn=fni，则将fn作为该多普勒谱中心频率的最佳估计值；若不满足，重复步骤3直至两者 相等。
【专利摘要】本发明提供了一种基于频移迭代的多普勒谱中心频率估计方法。该方法以谱矩法估计频移为初值，逐步改变积分区间进行迭代积分，每一次迭代都利用谱矩法估计频移，直到最后的频移结果收敛，并将该结果作为多普勒谱中心频率的最佳估计值。相对于传统的谱矩法而言，频移迭代法估计中心频率的效果更好，其平均绝对误差和均方根误差均更小，且该方法的估计精度不受频移分辨率的约束，将此方法应用于多普勒测波雷达中能够得到更准确的有效波高和平均浪周期等海浪参数。
【IPC分类】G01S13/88, G01S13/50, G01S7/292, G01S7/35
【公开号】CN105259537
【申请号】CN201510764596
【发明人】陈泽宗, 陈曦, 钟建波, 赵晨, 张龙刚
【申请人】武汉大学
【公开日】2016年1月20日
【申请日】2015年11月10日