基于X波段相参雷达获取海浪信息的方法研究

论文摘要

海洋是一块纯净又蕴藏着大量资源的蓝色宝藏,近现代以来,随着科技的发展,人类逐渐将发展的眼光移向海洋。但大自然带来如此丰厚的“礼物”的同时,也带来灾害与惨剧。为了确保航运、沿海城市以及各种海上作业的安全性,人们尝试用各种方法观测变幻莫测的海况信息。X波段雷达相对于其它的测量手段,具备分辨率较高、观测范围较大、且成本较低等多方面优势,所以本文对基于X波段相参雷达获取海浪参数信息的方法展开研究。本文首先分析了X波段相参雷达获取的两种数据集（雷达海浪图像和多普勒速度场）的形成机理,根据线性波理论,我们对随机海浪波高进行建模,并加入了阴影调制与倾斜调制两种重要调制作用,得到了仿真的雷达海浪图像。而后,通过对大量相关文献的阅读与学习,我们对X波段雷达观测海浪时获得的多普勒速度构成进行分析,并给出了可信的数据仿真方法,得到了仿真的多普勒速度场。这两种仿真数据集为下文的算法研究提供数据支撑。随后,本文对利用多普勒速度场重构海面波高场方法进行了学习与分析。我们利用仿真的多普勒数据重构了波高场,重构波高场与原始波高场在定性和定量的比较中都显示出了算法的有效性。该结论不仅再次证明了我们仿真数据的可信度,同时带给我们改进经典海浪参数获取方法——3D-FFT算法的灵感。基于非相参雷达的3D-FFT算法由于是对雷达图像强度进行频域分析,所以必须使用调制传递函数（Modulation Transfer Function,MTF）将图像谱校正为海浪谱。MTF的计算需要使用由实地测量工具测量的真实波高信息,这带来了高昂的工作成本。不仅如此,MTF参数的不确定性对结果的准确度造成影响。本文将重构波高方法与3D-FFT方法结合,提出了两种适用于相参雷达的改进3D-FFT算法以解决上述MTF带来的弊端。第一种方法用重构波高场代替实测数据,大大降低了MTF的获取难度与成本。第二种方法用重构波高场代替了海浪图像作为算法输入,更加彻底的避免了MTF的使用。仿真实验结果表明,两种方法均可以获得较精确的海浪参数值,但第二种方法在复杂度和估计精度上都略优于第一种方法。最后,本文以实际应用为出发点,研究了雷达天线长时间指向主波方向时的有效波高获取方法。考虑到投影效应造成的能量损耗,凝视模式下的多普勒速度场被仿真,然后被用于有效波高的估计。仿真实验获得了令人满意的结果,有效波高的估计值与真实值偏差小于0.16米。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 课题研究的背景和意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 国外研究现状
•     1.2.2 国内研究现状
•   1.3 本文的主要研究内容
• 第2章 X波段海用雷达相关机理
•   2.1 引言
•   2.2 雷达基本工作原理
•     2.2.1 雷达方程
•     2.2.2 测速原理
•     2.2.3 雷达主要指标
•     2.2.4 极化概念
•   2.3 雷达海浪图像成像理论
•     2.3.1 Bragg散射
•     2.3.2 双尺度模型
•     2.3.3 成像调制
•   2.4 海浪参数概念
•     2.4.1 海浪频谱
•     2.4.2 海浪方向谱
•     2.4.3 其他海浪参数
•   2.5 本章小结
• 第3章 X波段相参雷达数据仿真及分析
•   3.1 引言
•   3.2 X波段雷达海浪图像仿真
•     3.2.1 随机波高建模
•     3.2.2 成像调制的数值模拟
•     3.2.3 雷达海浪图像仿真结果
•     3.2.4 海浪图像可视概率分析
•   3.3 X波段雷达多普勒速度场仿真
•     3.3.1 多普勒速度构成分析
•     3.3.2 海浪的轨道速度
•     3.3.3 多普勒速度场仿真结果
•   3.4 本章小结
• 第4章 利用多普勒速度场重构波高场的方法研究
•   4.1 引言
•   4.2 重构波高方法
•   4.3 重构波高方法仿真实现及结果分析
•     4.3.1 重构波高场与原始波高场一致性分析
•     4.3.2 重构波高方法性能评估
•   4.4 本章小结
• 第5章 基于X波段相参雷达的海浪参数获取方法
•   5.1 引言
•   5.2 传统三维傅里叶变换算法介绍
•   5.3 利用图像强度获取海浪参数的改进3D-FFT算法
•     5.3.1 算法流程
•     5.3.2 利用重构波高场推导基于倾斜调制的MTF
•     5.3.3 仿真实验结果及分析
•     5.3.4 已有改进3D-FFT算法的介绍与比较
•   5.4 利用多普勒速度获取海浪参数的改进3D-FFT算法
•     5.4.1 算法流程
•     5.4.2 仿真实验结果及分析
•   5.5 凝视模式下的有效波高获取方法
•   5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文及其它成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 李美薇

导师: 谢俊好

关键词: 波段相参雷达,海浪参数,有效波高

来源: 哈尔滨工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 海洋学,电信技术

单位: 哈尔滨工业大学

分类号: TN958;P731.2

DOI: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.000644

总页数: 84

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