一种便携式高频地波雷达浪高反演方法与流程

本发明属于高频地波雷达技术领域，涉及一种便携式高频地波雷达浪高反演方法，具体涉及一种基于一二阶峰比值与浪高之间的线性关系求取浪高且采用传统barrick浪高反演算法作为拟合基准的浪高反演方法。

背景技术：

高频地波雷达因其超视距、全天时、全天候、大面积、高精度等特点，广泛应用于流场、浪高谱、风信息等海洋表面参数的反演。便携式高频地波雷达采用单极子交叉环作为接收天线，极大地减小了对架设场地的要求，简化了安装与维护。高频地波雷达的实时流场的提取算法已经趋于成熟，并且得到了大量的商业化应用。但是，浪高的反演仍然停留在传统的barrick浪高反演算法上面，反演精度比较低，同时便携式高频地波雷达还存在一二阶回波谱划分困难、波束太宽而不能形成精度较高的浪场等一系列问题。近年来，有学者提出了基于一二阶峰比值法提取浪高的方法，利用了一二阶峰比值和浪高的线性关系反演浪高，但是该方法需要浮标数据作为拟合基准，求取拟合系数，需要提供浪高的先验信息，实时性比较差。因此，急需提供一种高精度的高频地波雷达浪高反演算法，特别是针对便携式高频地波雷达的算法，以满足实时性和高精度的浪高利用场合。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种便携式高频地波雷达浪高反演方法，以提高浪高测量的实时性和精度，并且规避利用浮标等先验信息。

本发明所采用的技术方案是：一种便携式高频地波雷达浪高反演方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：对两个单极子交叉环进行通道校准；

步骤2：采用传统的barrick方法，在近距离元处获得浪高反演结果；

步骤3：求取雷达一二阶峰的比值，并且采用music算法定向；

步骤4：以步骤2的结果作为拟合基准，对步骤3得到的一二阶峰比值进行拟合，得到雷达的最终输出浪高。

与现有的技术相比，本发明的优势在于：

1、采用music算法定向，与传统的barrick方法相比，能够得到更高的方位分辨率，有利于高精度浪场的反演；

2、利用一二阶峰比值与浪高的线性关系反演浪高，具有更高的浪高反演精度和更远的测量范围，有利于大范围的浪高反演；

3、采用barrick的传统理论在近距离元处高精度反演浪高，作为一二阶峰比值法的拟合基准，求得拟合系数，以解决普通一二阶峰比值法对于浪高先验信息的依赖，提高浪高反演的实时。

附图说明

图1是本发明实施例的流程图；

图2是本发明实施例的单极子交叉环天线的波束形成示意图；

图3是本发明实施例的一二阶谱划分示意图；

图4是本发明实施例的一二阶谱点匹配对选取示意图。

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。

请见图1，本发明提供的一种便携式高频地波雷达浪高反演方法，包括以下步骤：

步骤1：对两个单极子交叉环进行通道校准；

对两个单极子交叉环进行通道校准，是采用无源校准方式，直接从海洋回波中提取校准值；以单极子为参考，计算单极子交叉环的环a、环b两通道的通道校准值，并且将计算得到的通道校准补偿到环a和环b的通道的数据里面。

通道校准的具体实施过程为：对于单极子交叉环三通道得到的数据，选取所有信噪比高于8db的点，分别计算环a和环b这些点的相对于单极子通道这些点的幅度和相位差，将所求的所有幅度和相位差采用均值法处理后，得到的即为环a和环b相对于单极子通道的幅度、相位校准值。将环a和环b的幅度和相位校准值分别补偿到对应的数据里面，实现通道校准。

步骤2：采用传统的barrick方法，在近距离元处获得浪高反演结果；

具体实现包括以下子步骤：

步骤2.1：采用波束形成算法，将单极子交叉环天线三通道的数据进行合成，指向雷达的正前方；

波束形成的具体实施过程为：如图2所示，单极子交叉环天线的单极子通道是一个全向天线，方向图为外围的虚线圆；环a和环b的方向图为图中的虚线八字形，两者呈90°相位差；通过对三通道的数据加权求和，实现波束形成。单极子、环a和环b三通道的加权系数为分别为1，其中θ为波束指向，图2中θ＝0，即波束指向0°。通过波束形成算法，实现天线波数的定向，以实现对固定海域的测量。

步骤2.2：对波束形成后的回波谱进行划分，得到一阶峰区域和二阶谱区域；

回波谱划分的具体实施过程为：选取雷达第四个距离元的多普勒谱作为计算浪高的数据样本。先通过统计归一化频谱上[-1.5,-0.5]和[0.5,1.5]两个区间信号加和的大小，确定正负一阶峰的强度。如图3所示的多普勒普，[-1.5,-0.5]区间信号比较强，因此选择负一阶峰进行浪高提取。之后，求[-1.5,-0.5]之间的最大值，从最大值点往左右搜索，遇到各自的第一个功率小于噪底功率加10db的点，即作为各自的一阶峰区域边界点。二阶谱区域和一阶峰区域共用一个边界，即二者相邻的那个边界。二阶谱的另外一个边界，通过对多普勒谱点进行5点平滑，求第一个功率小于噪底功率加3db的点作为二阶谱的另外一个边界。最终的划分结果如图3所示。

其中，回波谱划分算法中的噪底，通过对多普勒谱点最左边和最右边100个谱点求均值得到。

步骤2.3：对一阶峰和二阶谱进行积分，得到两者的能量，通过二阶峰能量比一阶峰能量，求得浪高值。

通过积分法求取浪高的具体实施过程为：将划分得到的一阶峰区域和二阶峰区域，分别做积分，通过公式得到浪高的估计值，其中，s2(ω)为二阶谱，se1和se2为二阶谱的边界，w(η)为权重，此处取固定值3，s1(ω)为一阶峰，fr1和fr2为一阶峰的边界，k0为雷达波矢。

步骤3：求取雷达一二阶峰的比值，并且采用music算法定向；

具体实现包括以下子步骤：

步骤3.1：划分单极子交叉环个三通道的一阶峰区域；

一二阶峰比值法的回波谱划分和传统barrick方法的回波谱划分方法一致。

步骤3.2：对于一阶峰区域内的点，采用music算法确定信号的来波方向；

一阶峰点定向的具体实施过程为：选取三通道同一个频点的信号，构建3*1数据矩阵，再求该矩阵的协方差矩阵，通过对协方差矩阵进行特征分解，选取小特征值对应的特征向量作为噪声子空间，通过公式求music谱，取谱图的最大值对应的来波方向作为该信号的来波方向，其中，a(θ)为阵列导向矢量，un为干扰子空间。

步骤3.3：步骤3.2得到的每一个点，在归一化的多普勒谱上面，平移0.4，得到其对应的二阶谱点，即得到一对匹配对；

选取二阶谱点的具体实施过程为：对于每一个一阶峰点，将其在归一化多普勒谱上平移0.4(若正一阶峰强，则加0.4，若负一阶峰强，则减0.4)，得到对应的二阶谱点；如图4所示。

步骤3.4：将所有的匹配对的能量做比，得到一二阶峰的比值。

求一二阶谱点能量比的具体实施过程为：将所有的一二阶谱点的匹配对，用一阶峰能量比二阶峰能量，得到一二阶谱点能量比。

步骤4：以步骤2的结果作为拟合基准，对步骤3得到的一二阶峰比值进行拟合，得到雷达的最终输出浪高。

对步骤3得到的一二阶峰比值进行拟合，是采用一次拟合实现的；数据拟合的具体实施过程为：对于所需测量的海域，计算该海域相对于雷达的方位角和距离，筛选出满足该方位角和距离的一二阶谱点能量比值，作为被拟合对象，采用传统barrick方法得到的浪高值作为拟合基准，通过一次多项式拟合，实现浪高的求取。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。