基于AIS距离-多普勒投影的地波雷达CFAR检测验证方法

恒虚警(CFAR)检测是地波雷达船只目标探测的主要方法。目前基于船舶自动识别系统(AIS)信息的CFAR检测验证方法是一种间接验证方式,容易受地波雷达系统测向误差的影响,且不具备对错检与漏检目标的分析能力。本文提出了一种基于AIS信息的评价地波雷达CFAR检测结果的直接验证方法。该方法将有效的AIS信息转换到地波雷达的距离-多普勒谱中,通过在该谱中AIS信息与CFAR检测结果的关联分析,实现CFAR检测结果的直接评价。论文首先给出了方法的原理和处理流程,然后利用实测数据给出了该方法在CFAR检测结果评价中的实际应用,验证了方法有效性,而且该方法也为低可观测目标的CFAR检测提供了参数优化调整的依据。     

基于ArcEngine的海域定级系统的设计与实现

海域定级是采用定性和定量的方法将同一类型用海划分为不同级别,是海域管理最基础性的工作,对于科学合理地开发和利用海岸带资源至关重要。本研究以Visual Studio 2010为开发平台,采用C语言,结合嵌入式ArcEngine组件库,集成设计实现海洋领域具有较高专业性和实用性的海域定级系统。该系统采用海洋公益领域专家制定的指标体系,通过数据的管理、集成和分析,实现了海域定级相关方面的功能。该系统将海域定级原理与地理信息系统(Geographic Information System,GIS)技术相结合,为海域基层部门提高工作效率、实现海岸带资源科学有效管理提供了依据。     

基于GIS 的南海中尺度涡旋典型过程的特征分析

以具有复杂时空演变过程的海洋中尺度涡旋为研究对象,以定量表达和组织涡旋典型过程案例为前提,基于Global NLOM(Naval Research Laboratory Layered Ocean Model)所得的SSH(Sea Surface Height)、SST(Sea Surface Temperature)和表层海流场,对海洋中尺度涡旋进行综合辨认和动态跟踪。以南海为例,通过提取涡旋典型过程中的典型状态,建立中尺度涡旋典型案例库。然后以库中所有过程案例为对象对涡旋进行GIS(Geographic Information System)时空特征分析。所得结果为:(1)南海中尺度涡旋整体上呈东北-西南向分布,涡旋水平移动速度为3~16 cm/s,平均速度为8.4 cm/s。(2)大部分涡旋向西移动。春夏季涡旋主要向西北方向移动,秋冬季涡旋主要向西南方向移动。(3)南海东北部涡旋主要集中在9~10月以及次年的1~2月发生,涡旋先向西北方向移动,后又转向西南方向移动,大部分中尺度涡旋不能西移太远。南海中部气旋涡主要发生在冬、春两季。一部分涡旋沿陆坡向西南运动,其中一些反气旋涡沿南海海盆向西运动。南海东南部在研究期内只有反气旋涡出现,向西或西北偏西运动,这里的涡旋比较弱,但移动距离较长,也有较长的生命周期。南海西南部夏季出现的涡旋多于冬季,且夏季的绝大部分涡旋以偶极子结构出现,该区域涡旋移动的距离较小。该研究引入GIS技术,基于大量时空数据对具有复杂时空特征的中尺度涡旋的信息进行组织、存储,以期通过对涡旋生消过程的时空分析来揭示其演变规律,为进一步研究海洋涡旋的空间推理预测奠定了坚实的基础。     

山东半岛北部海洋动力环境的高频地波雷达观测

利用两台高频地波雷达(ground wave radar,WERA)站对山东半岛北部雷达覆盖海区的浪、流场进行了观测,并且利用海洋-大气-波浪耦合沉积输运模型(coupled-ocean-atmosphere-wave-sediment transport modeling system,COAWST)对该区域的一个强风暴过程进行了数值模拟,对雷达观测数据、现场声学多普勒流速剖面仪(acoustic Doppler current profilers,ADCP)调查数据和数值模拟结果进行比对分析发现,模型模拟的水位变化与ADCP测量结果一致,WERA所观测到的有效波高和ADCP结果比较吻合,模型模拟的ADCP站位的流速相位、大小与雷达观测结果比较接近,与ADCP的结果有一定偏差。雷达观测的海区流场结果与模型反映趋势基本一致,但是在近岸方向上变化较大,其原因可能与ADCP的投放位置、模型的分辨率设置等因素有关。高频地波雷达系统是海岸带动力环境观测的一个有效工具,在实际应用中有着广泛的前景。     

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。     

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。     

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。     

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...     

舟山海域高频地波雷达表层流探测试验

2015年4月7-30日,在浙江省舟山近海海域开展了“嵊山-朱家尖”小型阵列变频高频地波雷达系统的海上比测试验,通过雷达观测数据与定点ADCP海流资料的比对检验了地波雷达表层流探测性能。径向流比对结果显示,测点与雷达法向夹角越小,距离雷达距离越近,径向流比测结果越好,雷达探测的结果越可靠。嵊山站径向流与ADCP观测结果的各站总体平均误差为7.98 cm/s,平均均方根误差为15.34 cm/s,平均相关系数为0.89,朱家尖站径向流与ADCP观测结果的各站总体平均误差为6.24 cm/s,平均均方根误差为12.36 cm/s,平均相关系数为0.81。根据矢量流比对结果显示,矢量流速与ADCP观测结果的各站总体平均误差为4.82 cm/s,平均均方根误差为15.03 cm/s,平均相关系数为0.44。设置在嵊山、朱家尖两个雷达站双站探测的核心区域（两个雷达站连线的中垂线上,并且与两个雷达站构成一个近似直角三角形）的站点比测结果更加理想,当流速大于0.25 m/s时,对于核心区域平均后的流向均方根误差为24.9°。     

基于弧段检测的高频地波雷达特定目标航迹跟踪方法研究

本文对现有的高频地波雷达目标跟踪方法进行了概述,提出了一种地波雷达目标长时连续跟踪的方法,基本思想是:充分挖掘航迹弧段特征,基于特征对船只运动建模,并结合杂波背景进行融合决策。进一步,为了达到长时间连续跟踪的需求,借鉴深度学习的思想,利用新获取的弧段数据对算法估计结果不断递归校正,使得随着获取数据的增加跟踪越准确。该方法适用于杂波环境且在航道附近存在众多干扰船只的情况下对机动目标航迹的实时稳定跟踪,为高频地波雷达在复杂干扰环境下特定目标持续跟踪提供理论基础和方法指导,为充分发挥地波雷达在海上监视监测中的作用提供技术支撑。     

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。     

基于PS-VF-TBD的地波雷达船只目标航迹起始方法

针对地波雷达低信噪比目标信号"闪烁"导致的航迹起始困难问题,本文提出了一种基于PS-VF-TBD的航迹起始方法.该方法综合利用了地波雷达回波谱中目标信号的展宽特征和运动特性,利用PS-VF-TBD方法对运动目标能量有效积累的特点,提高对疑似目标多帧信号间的关联概率,进而提高对真实目标的搜索概率和航迹起始成功率.通过地波...     

HF radar data quality requirements for wave measurement

HF radar wave measurements are presented focussing on theoretical limitations, and thus radar operating parameters, and quality control requirements to ensure robust measurements across a range of sea states. Data from three radar deployments, off the west coast of Norway, Celtic Sea and Liverpool Bay using two different radar systems, WERA and Pisces, and different radio frequency ranges, are used to demonstrate the wave measurement capability of HF radar and to illustrate the points made. Aspects of the measurements that require further improvements are identified. These include modifications to the underlying theory particularly in high sea states, identification and removal of ships and interference from the radar signals before wave processing and/or intelligent partitioning to remove these from the wave spectrum. The need to match the radio frequency to the expected wave peak frequency and waveheight range, with lower radio frequencies performing better at higher waveheights and lower peak frequencies and vice versa, is demonstrated. For operations across a wide range of oceanographic conditions a radar able to operate at more than one frequency is recommended for robust wave measurement. Careful quality control is needed to ensure accurate wave measurements.     

HF radar detection of tsunamis

This paper demonstrates that HF radar systems can be used to detect tsunamis well before their arrival at a coastline. We solve the equations of motion and continuity on the ocean surface using models to simulate the signals produced by a tsunami approaching the east U.S. coast. Height and velocity profiles are derived along with expressions for the radar-observed current velocities in terms of bathymetry and tsunami height and period. Simulated tsunami-generated radial current velocities are superimposed on typical maps of radial velocity generated by a Rutgers University HF radar system. A detection parameter is defined and plotted to quantify the progress of the tsunami, which is shown to be detectable well before its arrival at the coast. We describe observations/warnings that would have been provided by HF radar systems at locations in the path of the 2004 Indian Ocean tsunami.     

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.