高频地波雷达的发展与应用现状分析

高频地波雷达作为一种新兴的海洋探测设备,相比传统观测方式,具有大范围、全天候、低成本等优点,因而在世界各地得到了广泛使用,并在近海海洋环境监测中发挥了重要的作用。首先介绍了高频地波雷达探测海洋环境的基本原理,然后概述了阵列式和紧凑便携式两类高频地波雷达的国内外研究现状,接着介绍了高频地波雷达在海洋环境探测中的应用,最后分析了我国与世界发达国家在高频地波雷达海洋环境探测领域的差距并提出了改进建议。     

紧凑型高频地波雷达目标探测研究进展

高频地波雷达是海上船只目标大范围连续探测的主要手段,与大型阵列雷达相比,紧凑型地波雷达具有占用场地小、功耗低、架设和维护方便等优点。本文首先概述了高频地波雷达目标探测技术的国内外研究状况,然后通过阐述紧凑型地波雷达目标探测技术的研究进展,分析紧凑型地波雷达目标探测中难点和急需解决的问题,给出紧凑型地波雷达目标探测的新方案。该方案利用检测跟踪一体化方法解决单方位紧凑型地波雷达弱信号检测困难的问题,利用多方位目标航迹融合确定精确目标航迹,能够降低目标航迹丢失概率,提高目标探测精度。最后总结了紧凑型地波雷达目标探测的发展趋势和研究重点。     

高频地波雷达海流验证研究述评

本文对高频地波雷达发展与应用过程中海流的对比验证研究进行了回顾与总结。不同的验证研究采用的对比设备与验证方法有所不同,但都通过海上同步观测对雷达反演的海流进行对比,经统计分析评估二者之间海流观测的差异。这些研究表明,地波雷达反演的海流流速和对比观测的均方差水平在10—20cm·s-1之间,主要来源是对比所用仪器与雷达观测目标之间的差异,仪器和雷达海流的测量误差。     

高频地波雷达船只目标距离参数估计与评价

高频地波雷达是海上目标大范围连续跟踪探测的有效手段,在其探测结果中,目标的距离是一个重要的参数,其探测精度会影响目标的整体探测性能。本文给出了地波雷达目标距离参数的估计方法和处理流程,并基于地波雷达实测数据开展了目标距离估计及距离-速度耦合补偿处理,将目标距离参数估计结果与实测船舶自动识别系统数据开展了比对,统计分析了目标距离参数在补偿处理前后的误差及其影响因素。结果表明,目标距离参数经过耦合补偿处理之后,测距误差明显减小,测距精度得到了显著提高,最后结合个例分析,给出了距离补偿大小和正负与目标航向的关系。     

高频地波雷达海上目标航迹跟踪新思路

高频地波雷达是对海上运动目标进行监视监测的一种重要手段,为了提高地波雷达对海上特定目标独立跟踪探测时的性能,本文对高频地波雷达海上目标跟踪技术的研究现状进行了综述,分析总结了目前航迹跟踪方法存在的主要问题。结合海上目标跟踪的实际应用需求,借助目前流行的深度学习方法充分挖掘其他同步探测手段获取的目标信息,提出了基于知识辅助的特定目标跟踪方法,改善后续地波雷达对特定目标独立跟踪时的航迹质量,初步的航迹跟踪结果验证了提出方法的有效性。提出的地波雷达特定目标跟踪方法对目标跟踪方法的理论研究及地波雷达目标跟踪系统的业务化应用均具有重要意义及参考价值。     

高频地波雷达海上目标航迹校正方法

高频地波雷达对海上目标跟踪探测时,由于距离和方位角分辨率低且受到随机噪声的干扰,导致对目标位置探测不准确,形成的航迹会偏离目标的真实位置,影响跟踪的准确性。针对这个问题,结合海上特定目标跟踪的实际,本文从航迹的角度出发,基于对距离和方位角误差时间序列的统计建模,提出了一种基于同步船舶自动识别系统(Automatic Identification System,AIS)信息的高频地波雷达海上目标航迹校正方法。在高频地波雷达与AIS同步跟踪期间,采用统计回归的方法建立目标距离和方位角误差的校正模型;在高频地波雷达独立跟踪时,利用得到的模型分别对距离和方位角进行校正。利用实测高频地波雷达目标探测数据进行了航迹校正实验,校正后距离和方位角的均方根误差分别减少了约90%和75%,航迹跟踪效果得到了显著改善。     

便携式高频地波雷达台湾海峡浪高观测

As an important equipment for sea state remote sensing, high frequency surface wave radar(HFSWR) has received more and more attention. The conventional method for wave height inversion is based on the ratio of the integration of the second-order spectral continuum to that of the first-order region, where the strong external noise and the incorrect delineation of the first- and second-order Doppler spectral regions due to spectral aliasing are two major sources of errors in the wave height. To account for these factors, two more indices are introduced to the wave height estimation, i.e., the ratio of the maximum power of the second-order continuum to that of the Bragg spectral region(RSCB) and the ratio of the power of the second harmonic peak to that of the Bragg peak(RSHB). Both indices also have a strong correlation with the underlying wave height. On the basis of all these indices an empirical model is proposed to estimate the wave height. This method has been used in a three-months long experiment of the ocean state measuring and analyzing radar, type S(OSMAR-S), which is a portable HFSWR with compact cross-loop/monopole receive antennas developed by Wuhan University since 2006. During the experiment in the Taiwan Strait, the significant wave height varied from 0 to 5 m. The significant wave heights estimated by the OSMAR-S correlate well with the data provided by the Oceanweather Inc. for comparison, with a correlation coefficient of 0.74 and a root mean square error(RMSE) of 0.77 m. The proposed method has made an effective improvement to the wave height estimation and thus a further step toward operational use of the OSMAR-S in the wave height extraction.     

MIMO高频地波雷达典型正交波形性能评价

理论研究表明,MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)雷达技术能在很大程度上提高雷达系统的探测性能,而多个发射波形之间相互正交是实现此种改善的重要因素。为了确保正交波形在高频地波雷达系统上成功应用,本文结合地波雷达收发共址的特点选择了四种典型的正交波形,包括上调频与下调频线性调频中断连续波、错开时间的调频中断连续波、离散频率编码波形和线性调频脉冲的离散频率编码波形,分析了其应用于高频雷达时的模糊特性和互区模糊特性。通过对比分析四种波形的特征,指出利用恒定频率脉冲或线性频率调制脉冲构成的离散频率编码波形,采用优化算法优化频率编码序列后,表现出了较好的综合性能。     

象山港牛鼻山水道潮流场的高频地波雷达观测与分析

作为LORCE计划中构建高频地波雷达观测网的试点,面向象山港牛鼻山水道,在六横岛郭巨山和白马礁各设置了1台OSM AR-S50高频地波雷达.在2台雷达合成表面流场有效区域的中间地带,利用Valeport旋桨式海流仪和ADCP定点开展了周日连续观测,以验证高频地波雷达合成表面流场的精度.对比定点流场和高频地波雷达对应数据...     

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。     

高频地波雷达生成海洋表面矢量流图

武汉大学研制的双站高频地波雷达系统OSMAR2000利用测得的两幅单站径向海流图生成矢量海流图。经典矢量流图生成方法不能直接应用到OSMAR2000系统中。本文提出一种先在极坐标系下用自然三次样条函数将径向流插值到公共网格上然后直接进行矢量合成的矢量海流图生成方法。OSMAR2000在东海的表面矢量流实测结果与作对比验证的传统海流计测量结果十分吻合。对比数据表明，该方法是可行的，且优于先进行径向流线性插值后矢量合成的矢量流图生成方法。这也是国内首次利用高频地波雷达实现海洋表面矢量流的实时监测。     

高频地波雷达天线方向图校准方法研究

高频地波雷达是一种大范围获取海流场的有效手段,已经获得大量应用。为了保障观测数据质量,需要重视设备运行维护环节,其中就包括天线方向图校准。本文首先分析了单频信标天线方向图校准方法相比其他几种校准方法的优点;然后完善了单频信标校准系统,设计了信号频率可调的单频信标,研究并实现了SeaSonde雷达的方向图校准方法;接下来,将新校准系统用于南姜站SeaSonde雷达的天线方向图测量,实测方向图与CODAR应答器测量结果基本一致,通过ADCP与雷达径向流场的比测试验进一步证明校准方法有效;最后总结了使用单频信标校准方法的注意事项。     

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EOS-ELM的高频地波雷达有效波高反演

高频地波雷达(HFSWR)海面回波谱中包含海态信息,通常基于一阶谱和二阶谱特征信息分别建立拟合模型来反演有效波高,但是单独利用一阶和二阶谱信息来反演波高,会分别存在一阶谱能量饱和和二阶谱信噪比低的问题。本文基于集成在线顺序极限学习机(EOS-ELM)的方法,利用高频地波雷达数据,综合考虑一阶谱和二阶谱的特征信息来进行有效波高的反演。学习机能够有效选择一阶谱和二阶谱信息,使结果达到最优化,从而提高有效波高的反演精度。针对低海况的数据,本文通过分析确定波高分类阈值,将数据分段进行波高反演,进一步提高了波高反演的精度。     

“灿鸿”台风期间高频地波雷达数据分析

分析了小型阵变频高频雷达在"灿鸿"台风期间海面风、浪、流遥测结果。将雷达观测结果与定点浮标数据进行比对,表现出很好的一致性。其中径向流相关系数为0.92,均方根误差为0.13 m/s,有效波高相关系数为0.90,均方根误差为0.50m,平均波周期相关系数为0.64,均方根误差为1.12s。风向相关系数为0.55,均方根误差为40.0°。风速相关系数为0.68,均方根误差为3.26m/s。雷达对海流的探测能力最优,在高海况下对风、浪探测能力优于低海况下;雷达对"灿鸿"台风期间风、浪的探测延迟于浮标测量。结果表明小型阵变频高频地波雷达较好地反映了台风期间波浪场的空间分布及其发展变化情况,具有一定的灾害性海洋天气监测能力。     

OSMAR高频地波雷达福建示范系统径向流

OSNAR高频地波雷达是863计划海洋技术领域的成果，其福建示范系统的两个远端站分别设置在福建省东山县和龙海市境内，2005年6月开始试运行．本文对2005年6、7月份试运行期间雷达远端站给出的遥感径向流数据质量进行了统计分析和初步的海洋学验证．分析结果显示，雷达返回径向流速质量随观测距离增加呈下降趋势，并有明显的日夜差异，日间质量优于夜间．初步验证表明，经质量控制处理后所提取的径向流鸩分潮的振幅和相位的空间分布具有与以往研究结果一致的特征．雷达系统所返回的径向流数据在经过适当的质量控制处理后可以有效地反映覆盖海区表层海流及其时空变化．     

高频地波雷达实时信号并行处理方案及实现

近些年,随着高频地波雷达技术的发展,大量的遥感数据给实时信号处理带来了巨大的挑战。高频地波雷达信号处理机的主流设计方案通常采用DSP+FPGA技术或基于高性能CPU技术来实现信号的实时处理,但DSP+FPGA方案中系统的软硬件耦合较为紧密,开发周期长且不易维护,而高性能CPU技术对计算机性能要求较高,大大增加了硬件成本。在保证信号实时处理的前提下,为了缩短开发周期,提高系统的可维护性和降低开发成本,本文基于CPU+GPU架构设计了的信号处理方案,实现了高频地波雷达实时信号处理的基本流程,获取了目标的距离信息和速度信息。实验结果表明,本文提出的CPU+GPU架构下的信号处理方案与同期中央处理器(CPU)运算平台相比,具有10倍以上的加速比,验证了方案的可行性。     

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。     

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。     

岸基高频地波雷达资料后处理技术研究

综述了国内外高频地波雷达发展和研究现状,系统介绍了岸基高频地波雷达资料接收、预处理、计算机自动质量控 制、可视化人机交互审核和标准化输出等后处理工作内容与流程,详细阐述并以示例验证了岸基高频地波雷达资料非法码检 验、常规范围检验、相关性检验、气候学检验、统计学检验等质量控制方法和通过实测矢量场图、网格化矢量场图进行资料 深入审核的原理与方法,最后较为具体的提出了岸基高频地波雷达资料后处理系统的逻辑、物理和功能架构设计及技术指标 和运行环境。研究成果紧密贴合我国海洋观测网建设运行实际需求,对于我国岸基高频地波雷达资料后处理技术水平和能力 提升,具有科学和重要的技术参考价值。