X波段雷达测波系统比测方法的研究——基于东海区海洋站比测数据分析

目前我国已经进口了X波段雷达,大多数使用的WAVEX海事雷达海浪数据采集系统。利用X波段雷达开发监测海浪的波高、波长、波向与波周期等相关参数已经取得初步成果。同时,在X波段雷达数据质量控制以及将雷达数据与海洋动力学模型进行同化方面积累了一定的经验,但距离制定明确的应用规范还存在较大差距。文章试图通过对东海区A、B两个海洋站X波段雷达与波浪浮标、人工观测数据等比测数据的分析,得出比测方法中比对仪器选择、环境因素、海况等方面的要求,以得到更为准确的比测结果。     

X波段雷达近岸影像波谱分析

X波段岸基雷达作为一种新颖的海况遥感观测方式,可直接观测到实时的海况信息。通过对雷达影像的分析,能够获得海面上的波浪场。由于波浪在近岸的折射、浅化变形等原因,观测到的雷达影像场为近岸非均匀波浪场,在一定程度上限制了传统影像分析方法——傅里叶变换的应用。针对波浪的近岸非均匀性,将二维小波变换应用于雷达影像分析,子影像中6个空间点的波数谱显示:影像中的波浪非均匀性显著,主能量的波数呈现明显的增加趋势。二维小波变换应用到X波段雷达近岸影像处理中,可较好体现近岸波浪的非均匀性。     

三亚湾X波段雷达海浪比测试验研究

近年来,X波段雷达已经成为重要的海洋现场观测设备,应用越来越广泛,但其在复杂天气条件下的观测准确性还需要进一步探讨。因此,为了验证X波段测波雷达对于海洋波浪的观测性能,对安装于我国三亚市三亚湾的X波段雷达设备及布放在该区域的波高仪进行了海浪比测试验,通过对压力测波与X波段雷达测波两种不同探测机制在不同海况下实际海浪观测数据结果的分析可以得出：X波段雷达对于海浪观测的结果较为理想,与压力测波结果相关性较高,在不同天气条件下,均能够准确地反演大范围海域的海浪信息。根据研究结果,X波段雷达的波浪现场观测数据完全可以达到海洋环境监测的要求。     

X波段雷达测波系统比测方法的研究

目前我国已经进口了Ｘ 波段雷达,大多数使用的ＷＡＶＥＸ 海事雷达海浪数据采集系统。利用Ｘ 波段雷达开发监测海浪的波高、波长、波向与波周期等相关参数已经取得初步成果。同时,在Ｘ 波段雷达数据质量控制以及将雷达数据与海洋动力学模型进行同化方面积累了一定的经验,但距离制定明确的应用规范还存在较大差距。文章试图通过对东海区Ａ、Ｂ两个海洋站Ｘ 波段雷达与波浪浮标、人工观测数据等比测数据的分析,得出比测方法中比对仪器选择、环境因素、海况等方面的要求,以得到更为准确的比测结果。     

一种新的从船用X波段雷达图像中确定波向的方法

船用X波段雷达被广泛应用于海洋表面波观测和研究。本文给出了一种新的从船用X波段雷达图像中确定主波传播方向的方法。X波段雷达图像中的海浪信号具有明显的尺度性和方向性。同时，curvelet变换作为一种同时具备尺度分辨率和方向分辨率的数学变换，能够对一幅雷达图像在不同尺度、不同方向和不同位置上进行分析。对一幅雷达图像进行curvelet分解并获得curvelet系数后，波浪信号主要集中在某些特定尺度和方向的curvelet系数中，从而我们可以获得带有 方向模糊的波传播方向。进而，通过计算几幅连续采集图像的互相关系数可以消除 方向模糊。同步观测的雷达图像和浮标数据证明了该方法的有效性。     

降雨条件下的导航X波段雷达海浪参数反演算法研究

X波段的电磁波受降雨影响容易产生衰减,这导致导航X波段雷达在降雨时无法用于海浪观测。本文提出了一种新的降低降雨影响的算法来反演海浪参数。首先,对X波段雷达图像做主成分分析,获得波浪变化的主成分,利用一维傅里叶变换得到波数谱,对其滤波减小降雨对雷达图像的影响;然后,选取JONSWAP(Joint North Sea Wave Project)谱作为理论谱,建立以观测谱与理论谱的最小化差异为目标函数的模型,求解该模型估算海浪的有效波高。与浮标测量的有效波高相比,该方法反演的有效波高的均方根误差是0.23 m,证明了该方法的可行性。     

基于X波段海洋雷达的风浪联合反演方法研究

提出了一种新的利用X波段海洋雷达联合反演海面风速与海浪谱的方法,该方法不需要额外的信息输入来反演海浪谱。通过利用风速与雷达后向散射强度的经验关系获得海表风速,然后将反演的风速输入风浪谱,通过求解该模拟风浪谱与雷达观测图像谱的约束函数的最小值来确定海浪谱。利用实验数据对反演方法进行了验证,风速、有效波高、主波周期以及主波波向反演的均方根误差分别为1.9 m/s,0.4 m,1.2 s和9.6°,证明了该方法的可行性。     

X波段测波雷达电磁辐射测量方法与实例分析

X波段测波雷达在海洋观测领域具有重要的应用价值,但其电磁辐射带来的影响也愈发值得关注。通过对X波段雷达工作特点进行分析,提出了使用频谱分析仪和对数周期天线组成测量系统的电磁辐射测试方案。参照国家标准对国家海洋局南澳、遮浪海洋环境监测站的X波段测波雷达电磁辐射功率密度进行了测量和分析,结果表明:X波段测波雷达对环境危害小,对公众安全性好。同时解释了短时曝露限值的含义,提出了要加强员工安全教育的建议。     

X波段雷达在海面动力环境监测中的应用研究

论述了X波段雷达在海面动力环境监测中的应用.利用X波段雷达提供的有效数据对海面动力环境的诸要素进行测量,如海浪的波高、波向、波长与波周期,海流场的流速和流向以及海面周围的风场等.     

船载X波段测波雷达有效波高的误差分析

通过对2次海上作业期间船载X波段测波雷达数据对比分析,发现雷达测得的有效波高值在一段时间内存在较大误差。在2017年12月6日10:00至17:00期间,相比于人工目测值,雷达测得的有效波高值持续偏低。通过分析现场的天气与环境状况,并且对比相同海况下未受降雨影响和受到降雨影响时不同时刻的二维海浪谱,发现该段时间内因有降雨且能见度低,导致雷达测量的海浪谱能量异常偏低,信噪比SNR异常偏低造成X波段雷达测得的有效波高值异常偏低。在2018年4月11日船只路过5号大浮标和4号大浮标期间,相比于浮标测值,雷达测得的有效波高值异常偏高。通过查看系统中最大流速设置,发现设定的最大流速值过高(为50 m/s)。这样滤波器的带宽过大,大量噪声可能会被当成海浪信号通过滤波器,导致雷达反演的信噪比SNR异常偏高,造成X波段雷达测得的有效波高值异常偏高。通过分析误差产生的原因,对雷达设置的调整以及雷达系统的进一步完善有一定的参考价值。     

海上固定平台雷达测波技术及典型数据处理算法

首先总结了国内外海上固定平台使用的多种非接触式波浪测量方法,比较了不同测波方法的适用性。针对不同的测量方法给出了常用的传感器与设备,同时提供了每种设备的主要生产销售商。然后,对单点测波雷达和X波段雷达测波算法进行了综述,给出了波面的时间序列和雷达影像的时空序列两种数据的处理过程。最后,提出了波浪测量技术存在的一些问题,以期为我国海洋环境监测与观测系统的完善提供参考。     

A semiempirical algorithm for SAR wave height retrieval and its validation using Envisat ASAR wave mode data

Many synthetic aperture radar(SAR) wave height retrieval algorithms have been developed.However,the wave height retrievals from most existing methods either depend on other input as the first guess or are restricted to the long wave regime.A semiempirical algorithm is presented,which has the objective to estimate the wave height from SAR imagery without any prior knowledge.The proposed novel algorithm was developed based on the theoretical SAR ocean wave imaging mechanism and the empirical relation between two types of wave period.The dependency of the proposed model on radar incident and wave direction was analyzed.For Envisat advanced synthetic aperture radar(ASAR) wave mode data,the model can be reduced to the simple form with two input parameters,i.e.,the cutoff wavelength and peak wavelength of ocean wave,which can be retrieved from SAR imagery without any prior knowledge of wind or wave.Using Envisat ASAR wave mode data and the collocated buoy measurements from NDBC,the semiempirical algorithm is validated and compared with the Envisat ASAR level 2 products.The root-mean-square-error(RMSE) and scatter index(SI) in respect to the in situ measurements are 0.52 m and 19% respectively.Validation results indicate that,for Envisat ASAR wave mode data,the proposed method works well.     

基于多传感器融合的波浪谱数据获取与传输方法研究

波浪谱分析是研究随机波浪、构建波浪模型、计算海浪要素的主要方法,也是海洋工程设计、波浪能应用研究等的重要依据。目前对于现场波浪数据的获取仅局限于波浪特征参数和部分频段数据,为了获取准确有效的波浪谱信息,提出微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)和全球定位系统(Global Positioning System,GPS)测波传感器相结合的波浪谱数据获取方法以及利用北斗短报文数据传输的通信方式。综合考虑波浪谱数据特点和北斗短报文通信能力,波浪谱数据选用半精度数据类型编码并设计了相应的数据传输格式。现场海试结果表明该方法对于全波谱数据计算和传输较为准确,有效波高、峰值周期、平均波向和方向扩展的准确率相比于单独GPS传感器计算结果分别提升了12.5%(0.1m)、5%(0.2s)、8%(13°)和13%(8°),为海浪观测资料获取提供了新方法和新思路,可以进一步满足海洋多要素研究和对完整频谱分析的实际应用需求。     

Ocean wave parameters retrieved directly from compact polarimetric SAR data

We aim to directly invert wave parameters by using the data of a compact polarimetric synthetic aperture radar(CP SAR) and validate the effectiveness of ocean wave parameter retrieval from the circular transmit/linear receive mode and π/4 compact polarimetric mode. Relevant data from the RADARSAT-2 fully polarimetric SAR on the C-band were used to obtain the compact polarimetric SAR images, and a polarimetric SAR wave retrieval algorithm was used to verify the sea surface wave measurements. Usin...     

X-波段雷达近海海浪频谱反演的神经网络模型

X-波段雷达作为国内海浪观测的一种新工具,在海浪频谱获取和有效波高反演方面仍存在较多问题.本文利用非线性回归方法,将现场实测浮标数据频谱和雷达一维图像谱分别与标准频谱模型进行拟合,发现浮标频谱和一维图像谱具有标准频谱的特征,能够较准确地获取相应的谱参数.提出了建立由雷达一维图像谱参数反演海浪频谱参数的神经网络模型,同时在模型中加入影像序列信噪比,进而反演有效波高,并将反演结果与现场实测数据和传统算法(建立影像序列信噪比与有效波高之间的线性回归方程)进行了对比,结果表明,获取谱参数的误差和反演有效波高的平均误差在20％以内,而传统算法计算有效波高平均误差在20％以上.     

Polarimetric entropy of the ocean surface with a two-scale scattering model

The relationships among an ocean wave spectrum,a fully polarimetric coherence matrix,and radar parameters are deduced with an electromagnetic wave theory.Furthermore,the relationship between the polarimetric entropy and ocean wave spectrum is established based on the definition of entropy and a twoscale scattering model of the ocean surface.It is the first time that the polarimetric entropy of the ocean surface is presented in theory.Meanwhile,the relationships among the fully polarimetric entropy and the parameters related to radar and ocean are discussed.The study is the basis of further monitoring targets on the ocean surface and deriving oceanic information with the entropy from the ocean surface.The contrast enhancement between human-made targets and the ocean surface with the entropy is presented with quad-pol airborne synthetic aperture radar（AIRSAR） data.     

基于X波段雷达海面波高估计的改进方法

船用X波段导航雷达凹波形成的海杂波图像中包含丰富的海浪、海表层流信息.借鉴合成孔径雷达(SAR)估计有效波高的方法,假设有效波高与雷达回波强度信噪比的平方根成线性关系,可由X波段雷达图像估计得到海浪的有效波高.用此方法主要分析小麦岛海域实验数据,结果显示,直流滤波后计算的信噪比估计的有效波高比不进行直流滤波结果符合得好;而按波浪浮标测得有效波高数据的高低,分两段分别进行线性拟合获取校准系数,估测的有效波高更加准确.     

Estimation of Design Wave Height for the Waters around the Korean Peninsula

Long term wave climate of both extreme wave and operational wave height is essential for planning and designing coastal structures. Since the field wave data for the waters around Korean peninsula is not enough to provide reliable wave statistics, the wave climate information has been generated by means of long-term wave hindcasting using available meteorological data. Basic data base of hindcasted wave parameters such as significant wave height, peak period and direction has been established continuously for the period of 25 years starting from 1979 and for major 106 typhoons for the past 53 years since 1951 for each grid point of the North East Asia Regional Seas with grid size of 18 km. Wind field reanalyzed by European Center for Midrange Weather Forecasts (ECMWF) was used for the simulation of waves for the extratropical storms, while wind field calculated by typhoon wind model with typhoon parameters carefully analyzed using most of the available data was used for the simulation of typhoon waves. Design wave heights for the return period of 10, 20, 30, 50 and 100 years for 16 directions at each grid point have been estimated by means of extreme wave analysis using the wave simulation data. As in conventional methodsi of design criteria estimation, it is assumed that the climate is stationary and the statistics and extreme analysis using the long-term hindcasting data are used in the statistical prediction for the future. The method of extreme statistical analysis in handling the extreme events like typhoon Maemi in 2003 was evaluated for more stable results of design wave height estimation for the return periods of 30–50 years for the cost effective construction of coastal structures.     

OSMAR-S100便携式高频地波雷达海浪和海面风探测性能分析

OSMAR-S系列便携式高频地波雷达系统采用单极子/交叉环紧凑型天线阵,通过单站雷达即可实现有效探测距离约10km内海浪和海面风的单点观测。为了更好地了解OSMAR-S100雷达系统海浪和海面风的综合探测性能,于2013年1月29日至3月7日在台湾海峡西南部海域进行了雷达与浮标观测的对比试验,得到了有效波高、有效波周期、平均风速和平均风向数据。对比结果表明,OSMAR-S100便携式高频地波雷达可有效观测距雷达10km以内有效波高0.5m以上的海浪平均状况和平均风速5m/s以上的海面风,雷达反演有效波高和有效波周期的均方根误差分别为0.60m和1.60s,反演平均风速和平均风向的均方根误差为1.83m/s和16.7°。在未经区域化标定的情况下,此结果说明了该型雷达产品已初步具备了海浪和海面风的业务化观测水平。     

响水近岸海域波浪特性研究

基于响水波浪站累计一整年的现场观测资料，分析了波高和波周期的年内变化特性，研究了波浪的统计特性和波谱特性，并总结归纳了该海域各特征波要素之间以及各波谱参数之间的转换关系。结果显示:响水海域全年有效波高的变化幅度在0.10~2.80 m之间，年平均值为0.56 m；最大波高的变化幅度在0.15~5.58 m之间，年平均值为0.93 m；平均波周期的变化范围为1.91~9.02 s，年平均值为3.90 s。夏季大波高发生频率明显要小于冬、春季节，波浪季节性变化较为显著。就波高和波周期分布而言，通过拟合得出的Weibull分布较为适合本海域实测波高分布和波周期分布。波谱特性方面，本海域双峰谱占到总数的62.5%，且低频谱峰值普遍高于高频谱峰值，其中低频谱峰出现在0.04 Hz左右，高频谱峰则出现在0.15~0.20 Hz之间，分别为本海域涌浪和风浪所集中的频率区间。采用回归分析方法进一步分析了各特征波要素之间以及各波谱参数之间的关系，发现多数波参数之间存在显著的相关性，但受波浪浅水变形影响，各参数之间的比值与理论深水关系有所区别。本文的研究成果可为沿海建筑物的设计以及防灾减灾提供参考和依据。