一种高频雷达回波谱反演海浪的新算法

在高频地波雷达海浪谱反演问题中,广泛采用的Barrick后向散射公式属于第一类非线性Fredholm积分方程。此类积分方程的解在本质上是不适定的,加之高频雷达二阶回波信号信噪比较低,使得反演海浪谱存在解不稳定的问题。本文提出一种稳定且低复杂度的反演算法,此算法首先根据高频雷达一阶回波谱测量海浪方向,并将其引入积分方程求解过程,减少求解变量的个数,降低反演算法的复杂度。为解决反演结果不稳定的问题,使用Tikhonov正则化方法并利用广义交叉验证法(GCV)确定其正则化系数。通过在不同测试条件下对反演算法的仿真测试分析,表明此方法具有运算量小、稳定性好的特点。     

基于人工神经网络的高频雷达风速反演

风速是重要的海洋状态参数之一,对海面风速的准确提取是实现海洋环境监测和沿海工程应用的重要保证。目前,作为新兴海洋环境监测设备,高频雷达在风速提取方面仍然存在挑战。本文提出了一种基于人工神经网络的风速提取方法,利用历史浮标测量海态数据训练风速提取网络,实现风速与有效波高、波周期、风向及时间因素之间的非线性映射。测试结果表明了这一网络在时间和空间上的稳定性;进而将已训练的网络应用到便携式高频地波雷达OSMAR-S的风速反演中,得到的风速与浮标测量风速间的相关系数达到0.849,均方根误差为2.11 m/s。这一结果明显优于常规由浪高反演风速的SMB方法,验证了该方法在高频雷达风速反演中的可行性。     

基于BP神经网络的高频地波雷达海流空间插值

高频地波雷达是海洋环境监测的重要手段,当前已经实现对海流的业务化观测,但是外部因素常引起海流空间探测的不连续性。为解决此问题,尽量保障区域数据的完整性和准确性,本文将BP神经网络技术与空间插值相结合,建立了海流的BP神经网络插值模型,并进行了针对实测数据的缺失插值仿真,通过与反距离权重法和线性插值法插值结果的对比,分析该模型在区域海流大面积缺失、流速整体较大和流速整体较小3个方面的性能。结果表明,BP神经网络插值模型的海流预测效果明显优于其他两种方法,且在流场数据大范围缺失下也取得了良好的效果。     

高频地波雷达提取表层海流的计算方法

高频地波雷达除其军事用途外，还可广泛用于海态遥感，如测量海流、风向、风速及海浪参数。本文提出了一种由高频地波雷达回波多普勒谱提取表层海流的计算方法，并对一组实验数据进行分析和计算，给出了雷达遥测海域海充场分布图。     

基于高频地波雷达的多时间尺度海流研究

近海海流受多种动力过程及岸线岛屿的作用呈现空间和时间尺度上的复杂变化,而地波雷达由于其探测面积广、时间分辨率高的特点成为研究这些变化的有效手段。本文利用舟山海域多年高频地波雷达资料,通过潮流调和分析、低通滤波和相关性分析对该海域海流潮周期、极端事件、季节、年际尺度的动力过程进行了解译。研究表明,舟山海域属于正规半日潮,潮流运动形式以顺时针旋转流为主,流速大小在空间上为东北方向较大,往西南方向逐渐减小,并在近岸处得到增强。余流的年际变化并不显著,但存在着明显的季节变化,例如冬季为南向流,流速减小,空间分布上近岸较外海大,而夏季与之反向,为北向流,流速较大,空间分布较为均匀。进一步分析了风与余流之间的相关性,在大风期间,风与余流的速度相关系数在0.48～0.90之间,方向相关系数在0.55～0.68之间。极端事件发生时,速度、方向的相关系数分别高达0.92与0.91。总体而言,通过分析高频地波雷达数据能够较好地反映舟山海域海流的时空特征,为海洋灾害监测和污染物、藻华的输运研究提供依据。     

基于BP神经网络的多特征融合变化检测方法

当前,随着遥感影像空间分辨率的提高,传统的变化检测方法已经无法满足实际应用的需要。针对这一问题,引入BP神经网络,提出了一种多特征融合的遥感影像变化检测方法。在提取影像光谱特征、纹理特征和空间特征的基础上,构建了用于进行二类分类的BP神经网络模型,并在一定数量的样本支持下,有效完成了变化信息的提取。实验表明,文中方法相比于传统的影像代数法和仅使用对象光谱特征的方法,在保持较高正确率的情况下,有效降低了漏检率和虚警率。     

利用高频雷达海面回波中奇异峰估计浪高的方法

The popular methods to estimate wave height with high-frequency(HF) radar depend on the integration over the second-order spectral region and thus may come under from even not strong external interference. To improve the accuracy and increase the valid detection range of the wave height measurement, particularly by the smallaperture radar, it is turned to singular peaks which often exceed the power of other frequency components. The power of three kinds of singular peaks, i.e., those around ±1,±2~(1/2) and ±1(2~(1/2)) times the Bragg frequency, are retrieved from a one-month-long radar data set collected by an ocean state monitoring and analyzing radar,model S(OSMAR-S), and in situ buoy records are used to make some comparisons. The power response to a wave height is found to be described with a new model quite well, by which obvious improvement on the wave height estimation is achieved. With the buoy measurements as reference, a correlation coefficient is increased to 0.90 and a root mean square error(RMSE) is decreased to 0.35 m at the range of 7.5 km compared with the results by the second-order method. The further analysis of the fitting performance across range suggests that the peak has the best fit and maintains a good performance as far as 40 km. The correlation coefficient is 0.78 and the RMSE is 0.62 m at 40 km. These results show the effectiveness of the new empirical method, which opens a new way for the wave height estimation with the HF radar.     

基于高频地波雷达资料的海南中东部近海表层海流特征

利用海南中东部近海海域高频地波雷达观测得到的2019年4月—2020年3月表层海流资料进行潮流调和分析和余流分析。结果表明: 海南中东部近海海域以不规则半日潮流为主, 半日分潮M₂和S₂以往复流为主, 全日分潮O₁、K₁以顺时针旋转流为主, M₂、S₂、O₁、K₁分潮最大潮流流速的比为1 : 0.51 : 0.60 : 0.65, M₂为最主要分潮。最大可能潮流流速分布从西南方向向东北方向逐步增大, 最大值为35cm·s^-1。余流受东亚季风影响较大, 季节变化特征显著, 呈夏季形态(6月—8月)、冬季形态(9月—次年2月)和过渡形态(3月—5月)。夏季形态流向东北, 平均流速29cm·s^-1; 冬季形态持续时间最长, 流向西南, 平均流速36cm·s^-1, 大于夏季形态; 过渡形态为冬季形态向夏季形态的转变期, 流向分布较复杂, 平均流速13cm·s^-1, 明显小于夏季和冬季形态。从全年来看, 西南向流动的时间最长、流速最大, 海南中东部表层海水物质输运自东北向西南。     

高频地波雷达海面有效波高探测实验研究

利用安装于福建龙海的OSMAR071高频地波雷达和位于雷达波束范围内金门料罗湾口的波浪浮标在2008年11月1日至2009年4月30日半年期间的观测结果,对Barrick波高模型进行改进和模型系数拟合、标定,讨论了改进模型系数的稳定性。结果表明,该模型能适应噪声和干扰等因素对宽波束雷达有效波高探测结果的影响。雷达观测反演回报的有效波高与浮标观测结果对比,二者时间序列的均方根误差为0.39m,相关系数为0.67。     

高频地波雷达单站测量表层海流的原理

运用高频地波雷达测量表层海流矢量,一般均采用双站测量方案,因而,需要大量的人力和昂贵的设备投入。该项研究在分析双站测量原理的基础上,结合海洋学原理和合理的假设,推导并给出了利用单站地波雷达测量表层海流的原理和公式,从而使单站测量表层海流成为可能。可预期该方案虽然在一定程度上,适当降低了空间分辨率,但却可以大幅度降低观测成本,减少人力物力的投入,并显著提高现场观测效率。     

X波段导航雷达浪高实时测量研究

针对舰船对浪高实时测量的需要,提出了基于X波段导航雷达浪高实时测量的方案。介绍X波段导航雷达浪高测量原理,建立基于X波段导航雷达浪高实时测量的数学模型。通过某海域实测采集的雷达图像,经过数学模型反演得出浪高实时数据,并与采用浮标传感器实时测量的浪高数据进行对比,发现X波段导航雷达与浮标传感器测得的浪高数据有近一致的线性关系,标准差也较小。从一定程度上为舰船浪高测量提供一种可行性方法。     

高频地波雷达反演海浪的海上对比验证方法研究

在介绍高频地波雷达反演海浪要素工作原理的基础上 ,利用 2 0 0 0年 10月在浙江舟山海域进行的 OSMAR2 0 0 0和 SZF1- 海上对比验证实验中所获取的资料进行系统比较分析 ,验证了OSMAR2 0 0 0探测海洋海浪要素的精度 ,并分析了 OSMAR2 0 0 0反演海浪时的误差成因     

基于距离-多普勒谱的高频地波雷达的射频干扰抑制

提出一种高频地波雷达的射频干扰抑制方法。基于地波雷达的距离-多普勒(RD)频谱数据,分析了射频干扰特性。利用射频干扰在距离向的强相关性特征,选取RD谱中仅存在射频干扰的远距离单元数据构造自协方差矩阵,使用子空间投影方法实现射频干扰抑制。最后,对实测数据进行了处理,结果表明信噪比得到明显改善,验证了该算法的有效性。     

基于高频地波雷达观测的粤西近海潮流潮能分析

利用粤西海域高频地波雷达观测得到的表层海流资料进行潮流调和分析。结果表明: 粤西近海主要属于不正规半日分潮, 浅水分潮较强。以M₂分潮为例, 潮流运动形式主要为逆时针的往复流为主, 方向沿西北—东南方向。粤西近海的潮能主要由东部陆架输送进来, 潮能自东向西传播, 在大潮期间, 粤西的潮能出现向岸方向分量, 表现为从东南向西北方向传播, 在近岸区域潮能通量传播的方向会发生一个向岸的偏转。通过潮能收支方程计算潮能耗散, 发现粤西近海潮能耗散的高值区在西部岛屿密集区域, 与琼州海峡的存在和琼州海峡东北处地形变化存在明显的相关关系。     

OSMAR-S型高频地波雷达在南海北部遥测海表面流的数据检验

为掌握OSMAR-S型高频地波雷达在南海北部遥测海表面流的误差分布情况,首先分析该型雷达测流的空间分布情况,发现在雷达连线中间区域存在盲区。将雷达测流数据与ADCP测流数据进行比对,中间区域流速误差小于其他区域。为得到更为全面的分析,对雷达测流数据进行潮流调和分析,计算得到潮流和余流,并分别与预报系统的潮流数据、气象站风场数据进行比对,在计算中采用快速Fourier变换进行数据滤波处理。结果显示在雷达电磁波覆盖的向外海一侧中间区域,特别是在与两雷达站夹角接近90°的区域,测流精度高于其他区域,并基于以上结论给出了雷达使用中的建议。     

基于AIS信息校准的双频地波雷达的船只融合跟踪

高频地波雷达（HFSWR）和自动船只确认系统（AIS）是船只跟踪的重要传感器。高频地波雷达可以用来跟踪探测区域的所有船只,而AIS只能用来确认合作船只的信息。由于海杂波的干扰,使用单频率地波雷达的船只跟踪会淹没在布拉格峰值的盲区里,改变探测频率是克服这一缺点的有效手段。在这种背景下,我们提出一种基于AIS校准的双频雷达融合探测算法。因为不同频率的地波雷达测量与AIS的测量值存在系统误差,所以AIS信息可以用来估计和校准地波雷达的每个频率的系统误差。首先,将合作目标的点迹测量与地波雷达的点迹测量通过JVC分配算法进行点迹关联。从合作船只的点迹关联结果中,双频雷达的系统误差可以估计和校准。其次,基于校准的双频雷达数据,使用融合JPDA-UKF算法进行船只跟踪。通过真实探测的数据的实验结果显示所提算法可以实时跟踪船只,相比单频率跟踪可以进一步提高跟踪能力和跟踪精度。     

高频地波雷达海杂波抑制的时频-矩阵联合法

高频地波雷达海面回波信号中含有很强的海杂波分量,造成虚警与漏警现象,严重影响了对船只目标的探测与管理。本文提出基于时频分析与矩阵分解相联合的海杂波抑制方法。该方法从时频域中检测出海杂波的时变频率范围,同时通过Hankel降秩得到各回波分量奇异值及瞬时频率估计;通过频率匹配及矩阵重构给出海杂波的时域分量,予以剔除。实测雷达数据处理结果表明,在保留目标时域回波与频谱特征的情况下,本方法成功实现了海杂波分量的分离与抑制,提高了对海面目标的探测性能。     

基于高频地波雷达观测的大亚湾附近海域余流季节变化特征分析

基于大亚湾附近海域高频地波雷达的长期海流观测资料,利用T_tide工具包进行调和分析得到该海域余流季节变化特征.分析结果显示:大亚湾附近海域余流的变化特征主要呈冬、夏两种形态,其变化过程与季风的变化同步.其中,冬季形态从10月到次年3月,流向为SW向,流速可达30 cm/s以上;夏季形态仅在5—8月间出现,流向为NE向...     

高频地波雷达海杂波的边界约束循环对消

在对海洋监视监测的过程中,高频地波雷达的船只目标检测能力与其对海杂波的抑制能力密切相关。但是,传统海杂波时域抑制方法存在目标回波参数与海杂波相近时难以区分其各自分量,对消时目标被误消除的问题。针对上述问题,本文提出了一种适用于高频地波雷达海杂波的边界约束循环对消方法。该方法综合海杂波频移理论和实际海杂波特性分析制定出边界条件,约束建模对消过程,实现海杂波分量的抑制。实测地波雷达数据和船舶自动识别系统(AIS)数据检验的结果表明,本文方法克服了传统方法的不足且信杂比改善更加稳定,能够更加有效地实现海杂波循环对消。     

高频地波雷达观测的苏北辐射沙洲南部海域夏季表层海流特征

本文利用高频地波雷达获得的江苏如东海域大范围长期海流观测资料对苏北辐射沙洲南部烂沙洋海域夏季表层海流特征进行了分析。分析结果表明:研究海域表层海流靠近近岸一侧为往复流,流向总体上呈西北-东南向,靠近外海一侧为旋转流;海域潮流动力较为强劲,夏季表层海流实测最大流速达1.47 m/s,涨潮平均流速介于0.44~0.55 m/s,落潮平均流速介于0.38~0.52 m/s,海域西北部区域涨落潮平均流速明显大于其他区域;表层潮流为正规半日潮流,M₂分潮为最主要分潮,其潮流椭圆长轴范围为0.57~0.71 m/s,远大于其他分潮,其次为S₂分潮;该海域夏季表层余流呈现近岸大离岸小的分布趋势,余流流向基本指向近岸方向,从离岸到近岸余流流向呈现逆时针偏转。