超高频雷达海洋表面流的探测结果与分析

文必洋 李艳 侯义东 杨静

(武汉大学 电子信息学院,武汉 430072)



超高频雷达海洋表面流的探测结果与分析

文必洋 李艳 侯义东 杨静

(武汉大学 电子信息学院,武汉 430072)

近岸海域地形、海流复杂,而超高频雷达系统具有较高距离分辨率、小发射功率的特点,波长介于高频电磁波和微波之间,能同时提取海浪毛细波与重力波信息,与波浪作用比较敏感,能实现近海海洋动力参数的精细测量.不同于高频雷达回波谱,超高频雷达回波中一阶峰、二阶峰展宽严重并混叠在一起,难以划分一阶峰区域,因此,文中系统设计采用数字波束形成进行流速方位提取.雷达反演的流速结果与浮标数据的相关系数为0.88,但是均方根误差很大.通过分析,得出海洋表面流速不仅受到潮汐效应、地球自转的影响,当地风速在很大程度上也会影响表面流速的结论.

超高频雷达;径向流速;海洋回波;数字波束形成;风速

DOI 10.13443/j.cjors.2016030901

引 言

近岸海洋动力学环境参数对海岸带经济建设和海防建设都具有十分重要的意义,目前还缺乏有效的近岸海洋动力学参数的无线电遥感理论与技术.在已有海洋遥感雷达技术中,高频雷达监测海流的技术已经相当成熟,已获得广泛应用,但高频雷达的距离分辨率较差,难以精细探测近岸海域的海流.X波段雷达虽然距离分辨率足够高,但其在进行海流反演时,有一个参数由经验决定,该参数对海流反演起着决定性作用,若参数设置不合理将难以获得准确的海流结果[1].超高频雷达波长介于高频和微波之间,具有较高距离分辨率,与电磁波波长对应的海浪仍然为重力波,且与波浪作用比较敏感,具有实现近海海洋动力参数精细测量的潜力.国际上最早关于利用超高频雷达探测海洋的文献是Curry等人利用TRADEX雷达观测太平洋区域杂波记录[2].1999年加拿大C-Core公司与纽芬兰纪念大学联合研制的超高频相干多普勒雷达进行了目标检测试验[3].美国CODAR公司利用超高频雷达系统探测河流技术已经取得相当瞩目的成果,该公司的RiverSonde已成为超高频雷达监测河流流量领域的主流产品[4-5].国内该项技术发展起步较晚, 武汉大学最早利用超高频雷达探测海洋,2007年在浙江朱家尖进行第一次系统试验[6],同年11月在海南香水湾进行天线不同极化方式的试验[7].2013年武汉大学雷达与信号处理实验室在福建六鳌完成超高频雷达8通道接收海洋回波的试验[8].但是国内外试验中均没对超高频雷达海洋回波进行流处理的相关研究,对超高频雷达系统探测海洋状态参数的研究尚处于初步阶段,海洋参数反演方法亟待研究.

本文研究的超高频雷达波长接近1 m,与其产生Bragg后向散射的海浪波长约为0.5 m,为重力波,因此,高频雷达监测水体表面流的基本原理仍然适用[9].超高频雷达在河道表面流探测方面已经获得成功,本文将超高频用于海洋表面流探测,雷达获得的表面流数据与现场浮标获得的海流数据相关性虽然很强,但均方根误差较大.本文将雷达反演的流速、浮标流速与风速三者联系在一起分析,发现风速在很大程度上影响超高频雷达获得的海洋表面流.即超高频雷达获得的海洋表面流速是一定深度的水体流速与风生流速综合作用的结果.

1 超高频雷达测流原理与方法

1.1 超高频雷达测流原理

基于Bragg散射机理和水波的重力色散关系[10],高频地波雷达在监测海洋参数方面已经取得了瞩目的成就[11].本文使用的超高频雷达系统,雷达工作频段为340 MHz,设计的距离分辨率为10 m,由于雷达工作波长约为0.88 m,其半波长约0.44 m,与该波长对应的水波仍然满足重力波条件.因此,超高频雷达可以使用与高频雷达相同的机理,实现海洋表面流的探测.

(1)

式中：v为海流径向速度;λ为电磁波波长;结合图1所示的多普勒频移示意图(图中横轴代表归一化多普勒频率,纵轴代表回波信号的功率),Δf是有流速时的Bragg峰相对于无流速时的Bragg峰±fb的偏移量.已知偏移量的情况下,借助公式(1)即可求出径向流速.

图1 多普勒频移示意图

1.2 超高频雷达测流方法

实现海洋状态参数监测的基本原理是基于海浪对电磁波的Bragg散射作用,雷达电磁波与单列半波长波浪发生谐振形成一阶峰,与两列或多列波矢量相互作用形成二阶谱.在无流时,回波谱中一阶峰与二阶谱是分离的,如图2所示是武汉东湖的回波谱,湖相比海洋没有流存在,可以看到谱不会展宽.在近岸海域地形、海流复杂,使一阶谱和二阶谱均有较大程度的展宽,且超高频雷达波长短,二阶谱极易饱和,造成一阶谱与二阶谱混叠,如图3所示.

由于在河流中,河流流速大、流向单一,几乎不存在不同方向的波矢量,回波谱中一阶谱发生展宽,二阶谱极其微弱,如图4所示.通过划分一阶谱区、流速求取、MUSIC算法估计方位角提取河流流速信息.而在海洋回波谱中一阶谱与二阶谱混叠,难以利用上述方法提取流速.考虑到波束形成可以将信号转换到空域,因此使用阵列波束形成得到特定方位的回波,此时的一阶峰可以认为是该方位的回波,最后根据偏移量提取该方位上的流速.

波束形成原理是通过对天线阵元接收数据进行加权处理以控制天线阵的方向函数,使天线阵方向图在期望信号方向上产生高增益窄波束,也即在该方向上完成波束形成[12-13].

图2 超高频雷达东湖回波多普勒谱

图3 海洋回波多普勒谱

图4 河流回波多普勒谱

图5是n元均匀线阵,θ为回波信号指向各天线阵元的方向角,d为相邻阵元距离,λ为雷达回波信号波长,则相邻阵元的空间相位差为[14]

(2)

图5 均匀线阵天线接收特定来波方向信号示意图

令Si表示第i个阵元接收到的来自θ方位角的信号,规定当来波方向平行天线法向时θ=0,偏离天线法向左边时θ<0,偏离天线法线方向右边时θ>0,则接收信号可以表示为

(3)

式中：j2=-1;A0为回波信号的幅度;φ是基准通道1的相位;ωi为第i个天线阵元的加权系数.当来波方向为θ1时,对回波信号进行相位补偿后的结果取绝对值[15],有

(4)

从式(4)可以看到当θ在一定角度范围内进行扫描,|Y0|最大值出现在θ=θ1处,即最大波束指向θ1来波方向.

海洋中雷达探测范围内的流向是四面八方的,而雷达探测到的流速是海流相对天线波束方向上的径向流速.本文假设在一个观测单元内流向均匀单一,因此流速只反映在谱中一个频率上,且回波谱中Bragg峰只可能同时向左或者向右偏移.由Barrick一阶散射方程可知[16],归一化Bragg频率在±1,正负峰间距是2,有流存在时回波谱中Bragg谱峰同时向左或者向右偏移(取决于海流分量背离或者朝向雷达),他们之间的间距是固定不变的,如图1中所示.无论有无流的存在,回波谱中一阶峰是最强的,因此,波束形成后回波谱中最大值对应该波束方向的回波,最后根据最大峰值的偏移量求取流速．

流速信息提取过程如图6所示.首先,对雷达接收的单帧回波信号按距离分辨率进行距离分离,然后进行波束形成,使波束指向某一方向,最后对同一距离元的多帧回波信号进行频谱分析,得到回波信号的多普勒谱.从回波多普勒谱获得Bragg峰最大值相对于无海流时的偏移量,利用公式(1)即可获得该距离元上的径向流速.

图6 径向流速提取过程

2 现场试验与结果提取

2.1 试验环境与雷达参数

2015年10月2日至10月28日武汉大学雷达与信号处理实验室在福建省福州市连江县苔菉镇进行了现场试验.此次试验中雷达架设在离海岸水平距离20 m,垂直距离6 m处的陆地上, 采用8元天线阵,距离分辨率为10 m,方位分辨率10°,具体雷达工作参数如表1所示.图7为雷达、浮标方位示意图,雷达天线法向345°,在雷达接收天线法向的-15°方向,距离天线2.3 km处有一个波浪浮标(该片海域唯一的浮标),该浮标最高能够获取水面下0.75 m处的矢量流速信息.

表1 超高频雷达基本参数

图7 雷达浮标方位示意图

2.2 流速提取

图8为波束形成后的距离多普勒谱,图中纵轴为雷达探测径向距离,横轴为归一化多普勒频率,截取特定距离元上的回波多普勒谱,按图6所示过程提取流速信息,为了将流速结果与浮标数据对比,文中针对浮标所在观测单元提取径向流速.

为验证用于流速提取的多普勒频点的有效性,统计用于计算流速的正负Bragg峰频点之间的间距,结果如图9所示,超过90%的正负Bragg峰间距在归一化多普勒频率2附近,对应流速误差不超过2个流速分辨单位.由此说明本文中用于流速提取的数据的可靠性.

图8 距离多普勒谱

图9 正负Bragg峰值差值统计结果

图10 流速提取结果与浮标径向流速对比结果

图10为雷达反演径向流速与浮标径向流速对比结果.分析结果可知,雷达反演的径向流速和浮标的流速相关系数虽为0.88,但是雷达反演结果较浮标数据均方根误差为18 cm/s，偏大.在传统方法中,利用浮标监测的海洋表面流指在海面以下特定处的流速,而利用超高频雷达探测海洋时,雷达发射的电磁波与表面的海浪作用,监测的海洋表面流相比浮标更接近表面.CODAR公司RiverSonde雷达系统探测河流相关文章中提到风在一定程度上对河流表面流速产生影响[17].可知海风对海洋表面的作用是不容忽视的.

3 结果分析与讨论

从2.2节中发现超高频雷达反演得到的流速相对于浮标数据整体偏大.经查阅浮标的相关数据说明,该浮标最高可监测海面下0.75 m处的海洋表面流速(安德拉海流计,型号4100).超高频雷达波长仅0.88 m,雷达发射的电磁波与海浪作用,测得流速是海洋表面下0.07 m处的流,参见文献[18].由于海洋表面的流速不仅受到潮汐流、地球自转等的影响,而且受到风的影响.因此,我们考虑超高频雷达探测的海洋表面流在一定程度上受到了风的影响,也即雷达测得流速可以看作是浮标中的海流流速与风引起流速的总和.

因此,从浮标中将风速的相关数据提取出来,探究风对海洋表面流的影响是否被超高频雷达探测到.在海洋动力参数中,风对海浪的作用呈心形曲线,也即二者满足方向因子的关系[19],其中方向因子为:

(5)

式中：C为4π/3;s典型值为4;θ为雷达波束方向与海浪波列前进方向的夹角;φ是雷达波束方向的方位角;φw为风向方位角,由于只针对浮标中风速,无需考虑海浪前进方向,因此忽略θ,且C是常系数,也可忽略,则式(5)简化为

(6)

借鉴公式(6)将风速投影到雷达的径向方向上,得到径向风速如图11所示.结果显示,该段时间内,当地海域大部分时间吹北风,少数时刻吹南风.

经查阅海港水文资料,可知,风海流的流速可以按照式(7)估算[20]:

图11 浮标风速投影到雷达径向结果

Vu=lVw.

(7)

(a)

(b)

(c)

(d)图12 2015年10月径向流速对比结果

式中：Vu为风海流的流速,单位是m/s;l是系数,取值范围为0.024≤l≤0.030;Vw为海面上平均10 m处的平均风速,单位为m/s.由于本文中是小浮标,探测海面上方5 m左右的风速,相比于10 m处的风速要小,因此l取值较小,本文中选取l=0.020,利用公式(7)可以估算出风海流的大小.将浮标所得径向流速与雷达测得流速之差与风海流进行对比,发现风海流流速与浮标雷达流速差值结果之间存在线性的关系,于是利用线性拟合:

Vradar=A·Vu+Vbouy+B.

(8)

Vbouy为浮标探测的径向流速;Vradar为雷达探测的径向流速结果,通过线性拟合获得最佳系数A和B,其中A=2.17,B=0.007,对比结果如图12所示.

由于浮标放置的深度会影响浮标测得海流的速度,因此雷达浮标流速之差与风海流之间存在一定的线性关系,如式(8)中所示.通过图12中对比结果可以看到Vbouy+Vu与Vradar呈现很好的相关性.分析结果可知,二者相关系数为0.82,均方根误差为9 cm/s,相比之前减小一半,较好地说明了前面假设的正确性,即超高频雷达探测到的海流流速在一定程度上受到海面上风的影响,当然还有未知的因素影响海表面流速,未来会继续探究.

4 结 论

2015年10月在福建连江完成超高频雷达探测近海流速的现场试验,通过在正前方发射直达波对通道进行校准,利用波束形成进行径向流速的提取,雷达反演的流速结果与浮标数据的相关系数较高,但是均方根误差很大.通过分析,得出超高频雷达探测的海洋表面流速接近表皮流,不仅受到潮汐效应、地球自转的影响,当地风速在一定程度上也会影响雷达探测表面流速结果的结论.

本文是超高频雷达探测海洋中海流参数的首次尝试,由于超高频雷达波长是分米波,与海浪作用比较敏感,探测的只是海洋表面流,未来还有大量工作需要展开,在后续的工作中将继续探究风引起表面流的具体作用机理,以及探究其他因素对海洋表面流的作用.

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文必洋 (1963-),男,湖北人,武汉大学电子信息学院教授、博士生导师,主要从事雷达信号处理方面的研究.

李艳 (1991-),女,新疆人,武汉大学电子信息学院电路与系统专业硕士,研究方向为雷达信号处理.

侯义东 (1992-),男,安徽人,武汉大学电子信息学院电路与系统专业硕士,研究方向为超高频雷达系统设计及雷达信号处理.

杨静 (1983-),女,湖北人,武汉大学电子信息学院讲师,从事雷达信号处理方面的研究.

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, 李艳, 侯义东, 等.超高频雷达海洋表面流的探测结果与分析[J].电波科学学报,2016,31(5):941-947.

10.13443/j.cjors.2016030901

WEN B Y, LI Y, HOU Y D, et al.Results and analysis of surface current based on UHF radar[J].Chinese journal of radio science,2016,31(5):941-947.(in Chinese).DOI：10.13443/j.cjors.2016030901

2016-03-09

国家自然科学基金(61371063);国家重大科学仪器开发专项(2013YQ160793)

TN 958.93

A

1005-0388(2016)05-0941-07

联系人：文必洋 E-mail：bywen@whu.edu.cn