（计算机软件与理论专业论文）岸基X波段雷达浪流信息提取技术在XWCMS中的研究与实现.pdf

岸基x 波段雷达浪流信息提取技术在x w c m s 中的 摘要 随着世界人口增加、人类生存环境的恶化、陆地资源的消耗和海洋开发技术 的进步，世界各国在生存、发展及安全方面对海洋的需求日益增大，海洋地位急 剧上升。海洋具有重要的经济价值和战略意义，开发和利用海洋已成为普遍共识， 而海洋监测是海洋科学研究、资源开发利用和环境保护与管理等的基础工作，海 洋监测技术的发展对于提高海洋资源的开发能力、促进海洋经济的发展、提高海 洋环境监测能力等都起着重要的作用。因此，发展海洋监测技术意义重大。 论文跟踪了当前近海海面浪场、海面流场信息提取技术的研究热点，在借鉴 现有对x 波段雷达信号采集、x 波段雷达图像序列浪流信息提取技术研究成果的基 础上，首次提出研究和开发x 波段雷达浪流信息提取系统x w c m s ( x - b a n dr a d a r w a v ea n dc u r r e n ti n f o r m a t i o n sm o n i t o r i n gs y s t e m ) ，并结合课题“岸基x 波段雷达浪流信息提取技术 对x w c m s 的设计与实现进行了深入介绍。 论文结合具体的工程需求和软硬件条件，从x w c m s 结构设计、海洋动力环境 x 波段雷达系统设计、x 波段雷达海面浪流信息提取算法及其软件实现三个方面 对x w c m s 展开了深入的研究。首先，根据x 波段雷达特点以及系统需求，提出了 一种基于千兆以太网的星型拓扑的系统结构，满足系统对海量数据的实时采集和 传输要求。其次，详细介绍了海洋动力环境x 波段雷达系统结构和各模块设计。 第三，对x 波段雷达海面浪流信息提取算法的理论基础进行了详细介绍，并对基 于傅立叶变换的x 波段雷达浪流信息提取算法实施步骤做了总结和概括。阐述了 w i n p c a p 网络数据捕获函数库的工作机理和内部架构，对其内部的主要功能函数 做了介绍。最后，在以上基础上给出了基于w i n p c a p 的x 波段雷达海面浪流信息 提取标准化应用软件( 以下简称浪流信息提取软件) 的详细设计及其在v c + + 6 0 下的编程实现。 本文的核心内容是浪流信息提取软件的设计与实现。利用w i n p c a p 技术实现 了千兆以太网下大流量x 波段雷达回波数据的实时、不丢包传送，编程实现了基 于三维傅立叶变换的x 波段雷达海面浪流信息提取算法，实现了海态信息的可视 化。 关键词：x 波段雷达；x w c m s ；千兆以太网；w i n p c a p r e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no fs h o r e b a s e dx b a n dr a d a r w a v ea n dc u r r e n ti n f o r m a t i o ne x t r a c t i n gt e c h n o l o g yi n x w c m s a b s t r a c t n o w a d a y s ，w i t ht h ei n c r e a s i n go fw o r l dp o p u l a t i o n ，e n v i r o n m e n tp o l l u t i o n ，l a n d c o n s u m i n ga n dt h ea d v a n c e m e n to fm a r i n eo b s e r v a t i o nt e c h n o l o g y , o c e a ni s b e c o m i n gm u c hm o r ei m p o r t a n t b e c a u s eo fo c e a nh a sa l li m p o r t a n te c o n o m i cv a l u e a n ds t r a t e g i cs i g n i f i c a n c e ，t h ed e v e l o p m e n ta n du s eo fo c e a nh a sb e c o m eag e n e r a l c o n s e n s u s o c e a nr e s e a r c h i n g ，o c e a nr e s o u r c ee x p l o i t i n ga n do c e a ne n v i r o n m e n t p r o t e c t i n ga n da d m i n i s t r a t i n ga r ea l lb a s e d0 1 1t h eo c a l le n v i r o n m e n tm o n i t o r i n g t h e d e v e l o p m e n to fo c e a nm o n i t o r i n gt e c h n o l o g yi so fg r e a ts i g n i f i c a n c et ot h ea b i l i t yo f o c e a nr e s o u r c ee x p l o i t i n g ，t h ed e v e l o p m e n to fo c e a ne c o n o m ya n dt h ec a p a b i l i t yo f t h em a r i n ee n v i r o n m e n tm o n i t o t i n g s oi t i sk e e nt od e v e l o po c e a ne n v i r o n m e n t m o n i t o r i n gt e c h n o l o g y t h ep a p e rt r a c k st h eh o t s p o t so fp r e s e n tr e s e a r c ho nw a v ea n dc u r r e n ti n f o r m a t i o n e x t r a c t i n gt e c h n o l o g y t h ep a p e rp r o p o s e st or e s e a r c ha n dd e v e l o px w c m sf o rt h e f a s tt i m eo nt h e b a s i so ft h ee x i s t i n gr e s e a r c hr e s u l t so fx b a n dr a d a rs i g n a l a c q u i s i t i o na n dx - b a n dr a d a rw a v ea n dc u r r e n ti n f o r m a t i o ne x t r a c t i n gt e c h n o l o g y a n d a l s or e p r e s e n t st h er e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no fx w c m sw i t ht h e “s h o r e - b a s e d x b a n dr a d a rw a v ea n dc u r r e n ti n f o r m a t i o ne x t r a c t i n gt e c h n o l o g y ”p r o j e c t t h ep a p e rc o m b i n e st h er e s e a r c ho fx w c m sw i t ht h es p e c i f i ch a r d w a r ea n d s o f t w a r ec o n d i t i o n s t h er e s e a r c ho fx w c m sa r ef r o mt h r e ed i f f e r e n tf a c e tw h i c h a r cx w c m sa r c h i t e c t u r ed e s i g n ，x b a n dr a d a rs y s t e ma r c h i t e c t u r ed e s i g n ，x b a n d r a d a ri m a g es e q u e n c ew a v ea n dc u r r e n ti n f o r m a t i o ne x t r a c t i n ga l g o r i t h ma n di t s p r o g r a m m i n g f i r s t l y , t h ep a p e rp r o p o s e sas y s t e ma r c h i t e c t u r eb a s e do ng i g a b i t e t h e m e tt os a t i s f yt h eh u g ei n f o r m a t i o ng e t t i n ga n dt r a n s f e r r i n ga c c o r d i n gt ox b a n d r a d a rf e a t u r ea n ds y s t e mn e e d i n g s e c o n d l y , i n t r o d u c e sx b a n dr a d a rs y s t e m a r c h i t e c t u r ed e s i g n t i l i r d l y , r e p r e s e n t e st h eb a s i ct h e o r yo fx b a n dr a d a ri m a g e s e q u e n c ew a v ea n dc u r r e n ti n f o r m a t i o ne x t r a c t i n ga l g o r i t h ma n dt h e ns u m m a r i z e si t s i m p l e m e n t a t i o ns t e p s t h e ni n t r o d u c e st h em e c h a n i c sa n di n n e rs t r u c t u r eo ft h e w i n p c a pa n dl i s t so u tt h em a i nf u n c t i o no fi t f i n a l l yi n t r o d u c e st h ea r c h i t e c t u r co f x - b a n dr a d a rw a v ea n dc u r r e n ti n f o r m a t i o ne x t r a c t i n gs o f t w a r ea n di t sp r o g r a r n i n g b a s e do nw i n p c a pu n d e rt h ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n to fv c + + 6 0 t h ec o r ec o n t e n to ft h ep a p e ri st h ed e s i g na n dp r o g r a m i n go ft h es o f t w a r e t h e p a p e rr e a l i z e sr e a l t i m ea n dn o n ep a c k e tl o s et r a n s m i s s i o no fx b a n dr a d a re c h od a t a w i t hw i n p c a pu n d e rg i g a b i te t h e r n e t t h ep a p e rr e a l i z e sx b a n dr a d a ri m a g e s e q u e n c ew a v ea n dc u r r e n ti n f o r m a t i o ne x t r a c t i n ga l g o r i t h mw h i c hb a s e do n t h r e e - d i m e n s i o n a lf o u r i e rt r a n s f o r l na n df i n a l l yr e a l i z e st h ev i s u a l i z a t i o no ft h eo c e a n i i i s t a t ei n f o r m a t i o n k e yw o r d s ：x - b a n dr a d a r ：x w c m s ；g i g a b i te t h e r n e t ；w i n p c a p i v 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特，l , j j m 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得虫垦篷注太堂或其他教 育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：舔捧签字日期：副研年莎月习日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。 学位论文作者签名：弓良彩笋 导师签字： 签字日期：如硎年芗月穹j 日签字日期：如础年岁月矽e t 岸基x 波段雷达浪流信息提取技术在x w c m s 中的研究与实现 1 绪论 1 1 课题的背景及意义 海洋占地球表面四分之三左右的面积，是一座无比巨大的生物宝库，拥有极 为丰富的资源。它是人类赖以生存和发展的重要环境，是地球表面尚未得到充分 开发和利用的巨大资源宝库。随着人类的繁衍、陆地资源的枯竭和环境污染的日 益严重，人类必将以新的形式走向大海。利用海洋、开发海洋，向海洋进军已经 形成全球共识，海洋的充分开发利用是人类面临的重大课题。目前，我国海洋经 济已成为国民经济发展新的增长点，每年有2 1 0 0 多万人从事涉海业，预计到2 0 1 0 r 1 年，主要海洋产业增加值占全国g d p5 以上，2 0 2 0 年占6 以上。 然而，海洋的任何运动，无论是海洋开发利用还是海洋环境监测、灾害预测 与预报和国防，都是在特定的海洋环境中展开的，都依赖于对风、浪、流、潮等 物理海洋要素基础数据和变化规律的掌握和预测预报，因此迫切需要开发先进的 海洋环境监测设备和技术，以实现对海洋环境进行全方位、多手段的立体监测， 从而及时准确地掌握海洋自身运动变化的规律。海浪是物理海洋学的一个重要研 究领域，研究海浪和海面流场的生成、成长、消衰以及传播机制、揭示其内部结 构和外在特征，对于国防、航运、造船、港口以及海上石油平台的建设等具有重 要意义。 传统的近海海洋表面环境参数获取方法( 如：浮标、潜标、海流计等) 往往 有很大的局限性，一般只能监测特定时间内局部点线上的数据，另外，仪器布置 困难，仪器易丢失、易遭破坏，监测盲区大，作业受气象、海况条件限制，造价 r 1 昂贵等缺点也很普遍。 课题“岸基x 波段雷达浪流信息提取技术”系国家高技术研究发展( 8 6 3 ) 计划 海洋技术领域“区域性海洋监测系统技术”重大项目，课题目标是研制x w c m s ， 该系统具有造价低廉、机动便捷、时空分辨率高和实时安全等特点，而且x 波段 雷达可以方便地架装在岸基和船基上，从而能够对海浪场及海面流场等海洋动力 环境实施稳定、可靠、实时、连续的监测，提升我国海洋监测能力，为实现x 波 岸基x 波段雷达浪流信息提取技术在x w c m s 中的研究与实现 段雷达海洋动力环境业务化监测提供先导示范，服务于海洋科学研究、资源开发 利用和海洋环境保护。 1 2 研究现状及难点 1 2 1 研究现状 1 9 9 5 年德国g k s s 实验室宣布基于航海雷达的海浪监测系统w a m o s ( w a v e m o n i t o r i n gs y s t e m ) 研制成功。经过不断努力，该系统在许多方面获得了改进，精 度逐步提高，现在形成了第二代产品w a m o si i 。它由一台微机与一台高速视频 数值化转换设备和存储设备组成，其空间和时间取样率取决于不同的雷达设备。 它能够提供有效波高、波周期、海浪方向谱、海表面流速和流向等参量。 在8 0 年代末，挪威m i r o s 公司也研制了类似的系统( w a v e x ) ，并在 1 9 9 6 - - 1 9 9 8 年开发形成商业产品。w a v e x 系统可实时测量海浪参数( 有效波高、 最大波高、峰波周期、峰波波向等) 和海表面流速( 大小和方向) 。 除以上主流研究机构和系统外，美国、日本、丹麦等国也在积极从事该方面 的研究。虽然他们没有形成w a m o si i 和w a v e x 这样完整的业务系统，但已经 针对军事或民用的特定应用方向展开了研究。 值得一提的是，上述系统均不包含x 波段雷达系统，即没有研制针对海洋动 力环境探测的雷达系统，所以其岸基业务化运行受到局限。 我国对利用x 波段航海雷达进行海洋监测技术的研究起步较晚，作为微波 遥感的一个分支，运用x 波段雷达探测海浪场和表面流场技术在理论和应用上 都值得引起重视。 2 0 0 4 年，国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 海洋监测技术主题启动了“x 波段雷达海浪探测技术”课题( 课题编号：2 0 0 4 a a 6 3 9 6 7 0 ) ，对将x 波段雷达用 于海洋监测的理论基础进行了初步的探索。 2 0 0 5 年，总装备部启动x 波段雷达的波浪遥测技术”预研项目( 项目编号： 4 0 7 1 0 1 0 4 0 4 ) ，该项目突破了雷达回波数据采集、数字化转换，信号补偿、调制 技术和海面流场、浪场反演关键技术，研究出了利用海杂波图像的时间序列反演 海面波流的算法，进而研制出了可以准业务化运行的基于x 波段雷达图像的“海 2 岸基x 波段雷达浪流信息提取技术在x w c m s 中的研究与实现 面浪流信息提取系统( w c i e s ) ”，为建立基于x 波段雷达的提取海浪场和海面 流场的业务化应用系统奠定了理论和技术基础。 1 2 2 系统实现的难点 1 1x 波段雷达回波数据的实时采集。雷达中频信号要经过带通滤波、中频 放大、模数转换、数字正交等一系列处理才能形成回波数据，这个过程必须要在 短的时间内完成，以满足系统对实时性的要求。 笳x 波段雷达回波数据的高速传输功能是系统中的重要环节，是实现系统 实时性和稳定性的基本条件。雷达回波数据量大，要实现对它的高速、不丢包发 送和接收就需要采用非常优化的数据传输方法和技术。 3 ) x 波段雷达海面浪流信息提取算法的研究。信息提取算法是整个系统的 核心，是系统能否实现以及应用效果好坏的根基。 浪流信息提取软件。浪流信息提取软件不但要对算法进行编程实现，还 要包括对雷达回波数据的高速传输、存储等其他功能的并行执行。重要的是，从 长远来看软件要具备很好的结构、优异的可扩展性和可维护性，以能够适应算法 和系统其他部分设计的优化调整。 1 3 论文研究的主要内容 本论文是课题“岸基x 波段雷达浪流信息提取技术的一部分，旨在立足现 有海洋环境监测设备和技术的基础上，研究岸基x 波段雷达浪流信息提取技术， 对x w c m s 进行设计与实现。 作者作为“岸基x 波段雷达浪流信息提取技术 项目的主要参与者，负责 项目的调研，参与了系统的设计工作，对系统中的几个关键技术或问题进行了研 究，作者在参与项目的开发过程中主要完成了以下具体工作： 1 结合具体的工程需求和软硬件条件，对x w c m s 系统结构进行了设计。 2 ) 在充分研究了雷达系统和x 波段雷达海面浪流信息提取算法的基础上， 定义了雷达系统与浪流信息提取软件之间通讯报文的内容和格式。 3 l 设计实现了对海量雷达回波数据的高速传输和记录功能。 钔详细介绍了x 波段雷达海面浪流信息提取算法的理论原理和实施步骤， 3 岸基x 波段雷达浪流信息提取技术在x w c m s 中的研究与实现 编程实现了基于傅立叶变换的浪流信息提取算法。 5 ) 对浪流信息提取软件进行了详细的调研和设计工作，并且在v c + + 6 0 平 台下对软件进行了编程实现。 6 ) 参与海上比侧试验。 1 4 论文的组织结构 本文的组织结构如下： 1 绪论。主要介绍本文的选题背景和意义，研究现状和研究内容。 2 海洋监测技术。介绍了海洋监测及其技术现状，介绍了x 波段雷达 的特点，分析了其在海洋监测方面的应用价值，并在借鉴现有对x 波段雷达信号采集、浪流信息提取技术研究成果的基础上，提出研究 和开发x w c m s 。 3 x w c m s 结构设计。分析系统功能需求，对现有软硬件条件进行调研， 并在此基础上对x w c m s 系统结构进行设计。 4 海洋动力环境x 波段雷达系统。介绍了海洋动力环境x 波段雷达系 统的组成和结构，阐述了其各组成部分的功能、设计以及所采用的软、 硬件技术和设备。对系统中各部分之间和系统对外的接口关系进行了 介绍。 5 x 波段雷达海面浪流信息提取算法及其软件实现。介绍x 波段雷达 海面浪流信息提取算法理论基础及其基于傅立叶变换的浪流信息提 取算法实施步骤。阐述了w i n p c a p 功能、重要组成及部分常用函数。 详细叙述了在v c + + 6 0 开发环境下基于w i n p c a p 的x 波段雷达浪流 信息提取软件的编程实现，并对软件的执行效果进行了讨论。 6 总结与展望。对论文的各项工作进行了总结和概括。 4 岸基x 波段雷达浪流信息提取技术在x w c m s 中的研究与实现 2 海洋监测技术 2 1 海洋监测及其技术现状 2 1 1 海洋监测及其意义 海洋监测是指在指定的时间和空间内，使用统一的、可比的采样和检测手段， 获取海洋环境要素资料，以阐明其时空分布、变化规律以及与人类活动的关系的 全过程。海洋监测是海洋科学研究、资源开发利用和环境保护与管理的基础工作， 为海上作业、航海运输、海洋环境监测、灾害预测与预报和国防等提供强有力支 持。 2 1 2 我国海洋监测技术现状 目前，对海浪场和海面流场的监测手段不多，能够实现业务化监测的更少。 传统的方法是使用浮标、潜标、海流计、海洋调查船、海上平台等直接探测工具 及岸上仪器进行监测。但是这些方法只能实现定点测量，无法反映浪流场随空间 r 1 位置的变化，勘察作业也要受到气象、海况条件的限制瞒。并且由于价格昂贵又 容易丢失损坏，真正形成业务化监测的站点并不多，大多用于科学实验。 岸基高频地波雷达能够提供较广的浪流场信息，但造价昂贵，体积庞大，占 地面积多，移动不灵活。并且盲区较大，近岸几公里内难以获取高质量的浪流场 分布。 随着现代科技的突飞猛进，各种新技术，如航空遥感、卫星遥感等正不断应 用于海洋环境监测。航空遥感易受海洋恶劣天气条件的严重制约，无法保证全天 候工作。遥感卫星虽然能覆盖宽广的范围，但其重复周期太长，小尺度分辨率低， 很难得到海流信息，不能胜任一般的要求，而且耗资巨大，不易普及。 因此，我们迫切需要开发先进、便捷、成本低、监测效果好且具有业务化监 测能力的海洋环境监测设备和技术。 5 岸基x 波段雷达浪流信息提取技术在x w c m s 中的研究与实现 2 2x 波段雷达及其在海洋监测上的应用价值 x 波段雷达遥测的时空分辨率高，波向测量精度高，实时安全，可以随时对 预定海域进行监测，真正达到实时的业务化运行。x 波段雷达量级盲区很小，一 般为数十米，往往可以忽略。此外，x 波段雷达体积小、造价低廉、机动便捷， 可以方便地在岸基和船基上架装、搬移，并且不像波浪浮标那样容易丢失。因此， 利用x 波段雷达进行海洋监测已经引起了海洋学家们的广泛重视。 鉴于以上优点，如果能把x 波段雷达运用到海洋监测领域，可充分发挥其经 济、实时、灵活便捷和分辨率高的特点，实现对近岸或区域海洋环境进行稳定、 可靠、实时、连续的业务化监测。同时，在区域性海洋监测技术中与波浪浮标、 测流仪( 海流计、声学海流剖面仪 a d c p 】) 以及高频地波雷达等浪流监测技术 相互配合实现优势互补，势必大大提升我国的海洋监测能力，提高我国在海洋领 域的竞争力。 2 3x 波段雷达应用于海洋监测的研究 2 3 1x 波段雷达回波信号采集 x 波段雷达的回波信号以模拟电平信号表示回波强度，需要设计硬件接口电 路、选择( 或研制) 符合精度要求的a d 数据采集卡及相关采集软件，将雷达 接收到的海面回波模拟信号进行模数转换、存储为回波数字信号。 我国雷达信号处理与滤波器等数据处理技术也已非常成熟，有能力进行这方 面的研究。2 0 0 5 年，总装备部启动的“x 波段雷达的波浪遥测技术”项目对x 波 段雷达及信号采集技术进行了研究，突破了x 波段雷达回波数据采集、数字化 转换，信号补偿、调制等关键技术，研制出可以准业务化运行的x 波段雷达及 信号采集系统。 2 3 2x 波段雷达信号海面浪流信息提取技术概述 国际上于8 0 年代中期开始研究基于x 波段雷达图像序列的浪流信息反演， 1 9 8 5 年y 0 u n g 首次提出了根据“海杂波”雷达图像时间序列提取海浪和海面流速信 6 岸基x 波段雷达浪流信息提取技术在x w c m s 中的研究与实现 息的方法，该方法假定电磁波与海表面微尺度波相互作用机理为b r a g g 共振散射， 海面的微尺度波动受更大尺度的含能波动的调制作用，使得微尺度波的波数谱在 很大程度上依赖于含能波动的运动形态。该方法一经发现，就引起了人们的极大 兴趣。在此后1 0 年间，z i m e r ( 1 9 9 0 ) 、r o s e n t h a l ( 1 9 9 2 ) 、g u n t h e r ( 1 9 9 5 ) 等人不断改进海面流反演算法、传递函数的确定算法以及有效波高算法等。 1 9 9 7 年以来，b e l les 、h e i k o 、o u t z e n 和w o l f 等开始关注非均匀场的浪 流信息提取问题，将x 波段雷达用于近岸等浅海非均匀浪场区域，提出了非均 匀场浪流信息的不同算法。b e l l ( 1 9 9 9 ) 用运动跟踪算法确定了波传播速度，波 长和方向，在b o u s s i n e s q 波理论基础上利用非线性色散关系反演水深，进而实现 表面流场、浪场的信息提取。h e i k o 等引入了一种算法，包括海洋表面图像非线 性的全部三维波数频率谱对分析区域的每个象素都将进行了重构。算法核心是以 波数频率选择器( w a v e n u m b e rf r e q u e n c ys e l e c t o r ) 为基础的小波变换。这个方 法很灵活，快速，并且可以忽略滤波的影响。在测量区域，通过局部波数频率谱， 可以确定高分辨率水深和流场。 国内对x 波段导航雷达遥测研究在“十五”期间起步。国家“8 6 3 ”计划海洋监 测技术主题和总装备部分别启动了“x 波段雷达海浪探测技术”课题和“基于标准 x 波段雷达的波浪遥测技术预研项目，对x 波段雷达遥测技术进行了初步研究。 其中，中国海洋大学主持的“基于标准x 波段雷达的波浪遥测技术”项目成功突 破了x 波段雷达的波浪场和海面流场提取、x 波段雷达小掠射角海面散射机理 等关键技术，为进一步研究和完善x 波段雷达海浪场及海面流场等海洋动力环 境实时业务化监测系统奠定了良好基础。 2 4 本章小结 本章介绍了海洋监测及其技术现状，在充分研究我国当前海洋监测的各种技 术、方法，深入剖析其缺点和局限性的基础上，阐述了研究、研制先进、便捷、 成本低、监测效果好且具有业务化监测能力的海洋监测设备和技术的必要性。 结合x 波段雷达的特点，分析了其在海洋监测方面的应用价值，并在借鉴现 有对x 波段雷达信号采集、浪流信息提取技术研究成果的基础上，提出研究和 开发x w c m s 。 7 岸基x 波段雷达浪流信息提取技术在x w c m s 中的研究与实现 3x w c m s 结构设计 3 1 系统设计原则 x w c m s 的设计主要遵循以下原则： 1 ) 稳定性：系统要能够在较为恶劣的自然环境下( 如：雨、雪、风等) 不 间断稳定运行，具备业务化监测能力。 2 ) 实时性：系统要能够实时地对海面浪流信息进行监测。 3 ) 实用性：系统设计以结构紧凑、布线简单、操作方便为目标，便于工作 人员对系统进行架设、操作和维护。 4 ) 可扩充性：考虑到软、硬件技术的不断发展和对海洋监测技术研究的不 断深入，要求系统在结构、容量、通信和处理能力等方面具有扩充性和升级的能 力。 3 2 系统功能需求分析 x w c m s 应该具备以下主要功能： 1 ) x 波段雷达的控制及参数设置。 x 波段雷达回波数据的实时采集、处理、传输和存储。 3 ) x 波段雷达回波数据的实时屏显。 4 l 海态信息反演算法的编程实现。 5 1 ) 海态信息的管理和可视化。 3 3 系统结构设计 x w c m s 由x 波段海洋动力环境探测雷达系统和x 波段雷达海浪场、海面 流场信息提取标准化应用软件两部分组成。其中，海洋动力环境x 波段探测雷 达系统又由海洋动力环境x 波段探测雷达和实时显控终端两部分组成。系统结 构设计如图3 - 1 所示。其中，外部存储介质及打印仪器是可选设备。 8 岸基x 波段雷达浪流信息提取技术在x w c m s 中的研究与实现 尹一 外部存储介质 耋鱼曼甄甄函交换机 1 莓警l 打印设备 图3 1x w c m s 系统组成结构 如图3 - i 所示，海洋动力环境x 波段探测雷达采集到回波数据后，通过局域 网把数据同时发送到雷达显控终端和信息提取终端。由于雷达扫描范围广，数据 采集频率高，雷达回波数据量大，我们采用千兆以太网进行数据传输，采用星型 拓扑结构，把x 波段探测雷达、雷达显控终端和信息提取终端连接到中央的一 台交换机上。探测雷达把回波数据以广播的方式发送到网络，雷达显控终端和信 息提取终端分别独立接收回波数据，进行后续处理。 3 4 本章小结 本章在充分调研的基础上，首先阐述了x w c m s 的设计原则，列出了系统的 主要功能需求。然后结合上述的功能需求和软硬件条件，遵照系统设计原则，设 计了一种基于千兆以太网的x w c m s 结构，该结构布线简单、稳定可靠。 函 熏一i 岸基x 波段雷达浪流信息提取技术在x w c m s 中的研究与实现 4 海洋动力环境x 波段雷达系统 4 1 海洋动力环境x 波段雷达系统总体结构一 海洋动力环境x 波段雷达系统由天线和馈线分系统，转台和伺服驱动控制系 统，发射机，数字中频接收机和信号处理机以及实时显控终端组成。 根据前面所述海洋动力环境x 波段探测雷达的组成特点和技术要求，我们 购买了日本的f r 2 1 2 5 b 导航雷达，并对其进行了改造。天线、伺服驱动、馈线、 低噪声接收、发射和电源等保留不变，接收机的中视频电路板重新设计成集中频 放大、a d 、定时控制、伺服控制、以太网数据传送等功能为一体的模块( 简称 中放及信号处理模块) ，原配的终端舍弃，改用一台计算机代替。 4 2 中放及信号处理模块 海洋动力环境x 波段雷达系统设计了一个中放及信号处理模块，完成电源 转换、发射控制、中频放大、信号处理、数据传输及故障检测等功能，并且其结 构和安装尺寸与原中放电路板相同。中放及信号处理模块的信号流程图如图4 1 r 一 所- - j - ： 中频信号 叫 h d l 滤波h 中放ha 0 一一一一一一一一一一一一一一一一一1 收i 雾| 型圉饿懒斟 图4 1 数字中放及信号处理模块电路信号流程图 1 0 岸基x 波段雷达浪流信息提取技术在x w c m s 中的研究与实现 在图4 1 中，f r 2 1 2 5 b 导航雷达的中频信号经带通滤波器滤波后，再经过数 字中频放大器进行放大，送至d 变换器进行量化转换，形成数字信号至f p g a 模块进行数字正交和低通滤波处理，生成i 、q 两路信号经千兆网传输至终端计 算机进行后续的处理和显示。 中放及信号处理模块与雷达其它部分及终端计算机的信号接口关系如图4 2 所示。 图4 2 中放及信号处理模块接口关系图 中放和信号处理模块的功能和具体设计如下： 1 ) 中频滤波。将雷达低噪声接收模块提供的6 0 m h z 中频信号经l c 带通滤 波器b 6 0 3 0 p 1 b 进行滤波，该滤波器带宽3 0 m i i z ，中频6 0 m h z 。 2 ) 中频放大。中频信号滤波后采用增益可控芯片a d 8 3 6 9 进行放大， a d 8 3 6 9 的控制管脚与f p g a 相连，由f p g a 提供增益控制命令。 3 ) 模数转换。模数转换模块采用1 4 位a d 转换器a d 6 6 4 5 完成。a d 采 岸基x 波段雷达浪流信息提取技术在x w c m s 中的研究与实现 用5 v 供电并用高频变压器t c 4 1 w 隔离干扰。 4 ) p f g a 模块。采用v t r t e x - 4 的f p g a ，1 2 0 万门容量。f p g a 模块上集成 了r a m 、加载芯片、千兆网络口、1 0 0 m i - i z 晶振( 暂不用，而采用一个单独的 8 0 m h z 晶振) 。该模块需要1 2 v 、2 5 v 、3 3 v 电源供电。 5 ) 电源。经过对f r 2 1 2 5 导航雷达进行分析，该雷达主机正常工作需要提 供的电源种类包括：d c + 1 2 v ，供发射机、接收机和信号处理模块等部件使 用；d c 1 2 v ，供发射机、接收机和信号处理模块等部件使用；d c + 2 4 v ， 供马达使用，驱动天线扫描；d c + 5 5 0 ，供发射所需高压直流电源。 为保证x 波段导航雷达的总体性能，改造中仍采用f r 2 1 2 5 导航雷达本身的 电源模块进行整机供电。拆下原主机的内部电源进行重新组装，在结构上进行整 合设计，形成雷达电源分机，并增加开关按钮和l c d 显示屏分别进行控制和状 态显示。 接收及信号处理模块的供电电源为+ 1 2 v ，由电源分机直接提供，在电路板 上采用d c d c 模块和集成稳压芯片进行降压和稳压，分别得到+ 2 4 v 、+ 5 v 、 + 3 3 v 、+ 2 5 v 、+ 1 2 v 等对电路板中各芯片进行供电。 电路板的设计除包括上述5 个部分外，为满足导航雷达的信号要求还包括限 幅、放大等电路。该电路板的大小、安装孔的位置应与导航雷达的中视频放大板 一样，并采用四层板设计，尽量减小模拟和数字信号之间的干扰。 4 3 实时显控终端 终端计算机通过以太网接收i 、q 信号，完成相位校正、抗同频干扰、p p p 处理、数字测频和d d s 补偿等一系列信号处理，形成雷达视频信号，通过雷达 终端显示软件进行实时显示。实时信号处理软件模块组成见图4 3 。 终端显控软件的主要作用是实时显控、数据处理和通信管理。具体的功能和 实现方法如下： 1 ) 实时控制。计算机通过千兆网发送网络控制报文，实现对雷达发射编码、 量程、增益等的调节和控制。 2 ) 实时监测。通过千兆网接收雷达的状态指示信号，包括磁控管预热指示、 磁控管电流指示、接收机故障指示等信息，并设计信息指示界面进行显示。 岸基x 波段雷达浪流信息提取技术在x w c m s 中的研究与实现 3 ) 实时数据处理。对测量数据进行实时处理，形成回波强度。 4 ) 实时显示。采用d i r c c t d r a w 技术设计回波的实时屏显。 千兆以 太网 图4 3 数据处理软件模块组成框图 图4 - 4 为海洋动力环境x 波段雷达系统接口总图。 图4 4 海洋动力环境x 波段雷达系统接口总图 岸基x 波段雷达浪流信息提取技术在x w c m s 中的研究与实现 4 4 本章小结 本章介绍了海洋动力环境x 波段雷达系统的组成和结构，阐述了其各组成部 分的功能、设计以及所采用的软、硬件技术和设备。对系统中各部分之间和系统 对外的接口关系进行了介绍。 1 4 岸基x 波段雷达浪流信息提取技术在x w c m s 中的研究与实现 5x 波段雷达海面浪流信息提取算法及其软件实现 5 1x 波段雷达海面浪流提取算法理论基础介绍 5 1 1p p i 图像 在探测海上目标时，x 波段雷达回波形成的海杂波图像是导航雷达中的“噪 声”信号，因此需要滤除。但海杂波中包含了丰富的海浪、海表层流信息，我们 要研究的就是如何将这些提取出来。海杂波主要是由于电磁波与海浪中波长与电 磁波长相当的毛细波发生b r a g g 共振散射产生的，而较长波长的海浪调制这些毛 细波，所以长波可以在海杂波图像中清晰可见。同时，由于受雷达平台的移动以 及海表层流的影响，监测频率和海浪固有频率间存在多普勒频移，因此可用海杂 波来反演海浪、海表层流的相关信息。为获取这些信息，首先需要得到原始雷达 信号，即没有滤除海杂波的雷达回波信号。 我们实验获取了雷达图像的时间序列，如图5 - 1 、图5 2 所示，图5 - 1 是某 时刻得到的一幅雷达图像( p p i 图像) ，实际是雷达天线转动一个周期记录的雷 达回波强度的区域分布，我们近似认为该区域分布对应于某确定时刻。雷达图像 上的每一个像素与海表面对应点的后向散射能量相对应。图5 2 是选取雷达连续 转动n 转得到的n 幅雷达图像，表示雷达回波强度随时间的变化规律。实际实 验中我们选n = 6 4 ，而雷达天线转速为4 2 转分钟，即每转时间约a t 一1 4 3 s ，时 间总长度为9 1 5 秒。时间长度的选择不能太短也不能太长，太短或太长都会影 响到反演精度，我们反演要求针对空间均匀时间稳定的波场，一般在4 0 秒到1 0 0 秒之间。 我们得到了雷达回波强度随位置和时间变化的关系。但是为了进行数据处 理，我们要在上述基础上，在有效回波区域内选取一待处理的矩形区域。比如选 取矩形的两边方向为x 、y 方向，对于岸基数据，x 、y 方向分别对应于东西、 南北方向，对于航船数据，x 、y 方向分别对应于垂直船首方向和船首方向。矩 形区域离雷达最小距离5 0 0 米，取1 2 8 x 1 2 8 个像素点，若雷达在x 、y 方向的距 离分辨率均为7 5 米，每个像素大小7 5 x 7 5 m 2 ，则选取的矩形区域大小为 岸基x 波段雷达浪流信息提取技术在x w c m s 中的研究实现 9 6 0 9 6 0 m 2 ，如图5 - 1 中的矩形区域。图像序列中的每幅图像选取同样位置的矩 形区域。 雷达信号提取系统只能给出灰度值随距离和角度变化的极坐标数据 g ( ，0 ，f ) ，而f 0 u r i e r 变换只能针对直角坐标进行，为此我们先将极坐标数据插 值转换为直角坐标数据，提取待处理矩形区域雷达图像灰度值随空间时间的分布 9 0 ，y ，t ) 。 图5 1 某时刻雷达回波的海杂波图像 图5 1 为某时刻雷达回波的海杂波图像，是小麦岛岸基实验所采集的一幅图 像，数据采集选取关于正南方向对称的一个扇形区域。矩形内的部分为我们选取 的待处理矩形区域，大小为9 6 0 9 6 0 m 2 。 图5 2 是雷达海杂波图像的时间序列，取n = 6 4 ，两幅图间时间间距 a t 一1 4 3 s ，时间总长度t 一9 1 5 s ，表示回波信号强度随时间的演化。 1 6 岸基x 波段雷达浪流信息提取技术在x w c m s 中的研究与实现 y 图5 2 雷达海杂波图像的时间序列 5 1 2 三维傅立叶( f o u r i e r ) 变换 对9 0 ，y ，f ) 做三维f o u r i e r 变换( f f r ) ) ，暖，) 一j f j p j g o ，y ，f ) e x p i ( k x x + 七，) ，一a ，t ) d x d y d t 式( 5 - 1 ) y 坼，) 称为图像谱，其中f 一 ，k y ) ，l j 、l y 和r 分别为矩形区域 的长、宽和时间序列的时t 日- i 总长度，对该项目我们选取 工，一n x a x - 1 2 8 x 7 5 m 一9 6 0 m 式( 5 2 ) 三y n 】，a y - , 1 2 8 x 7 5 m = 9 6 0 m 式( 5 3 ) t na t 一6 4 x 1 4 3 s 一9 1 5 s 计算机实现中，三维f f t 实际为一求和过程 y 暖，) = g ( 尹，t ) e x p 一f 暖芦一甜) 】 工，y ， 三维f o u r i e r 变换后，考虑实际情况和消除谱的1 8 0 0 模糊问题， 我们只保留 0 的部分。这样图像功率谱密度为 产) 阳。而1 7 ，2 式( 鬟一 岸基x 波段雷达浪流信息提取技术在x w c m s 中的研究与实现 系数选择z 旨t 是为了使d r p - 0 0 ，( 3 ) 岳，) 痂一盯2 。 上；三， 、。 其中q t 脓，k 册，) 为波数频率域坐标，最大波数分量k n x ，k y 和 最大频率是n