基于X波段相参雷达数据的回波Doppler反演算法研究

1、基于X波段相参雷达数据的回波Doppler反演算法研究 实验报告实验目的本实验通过IPIX雷达回波信号的提取、分析、处理，根据Bragg谐振散射机制反演海表波浪场的运动特征参数，如有效波高、平均周期等。实验原理 测过程中，海面海浪会产生回波，这些回波信号主要是由Bragg散射引起的。在入射角很大时，海浪波长正好是雷达波长的一半时，且传播方向恰好为指向或背离雷达的两个波浪列才会造成Bragg谐振散射。X波段使用的电磁波长大约是3cm，因此引起Bragg谐振散射主要是海洋表面毛细波。雷达回波的多普勒频移是由海浪、海流及Bragg频移组成，与海浪的运动特征参数（海浪的径向速度、传播方向等）相关，且运

2、动特征参数与海面风、浪、流等海洋参量密切相关，通过分析X波段 雷达的回波序列，可以建立海浪特征（海浪的有效波高、平均周期等）的反演算法。实验内容本课题使用的实验数据来自http:/soma.crl.mcmaster.ca/ipix/dartmouth/index.html，该数据是McMaster大学的X波段全相参雷达，在加拿大东海岸的Dartmouth附近一个高30米的山崖上测量得到的。雷达介绍McMaster IPIX雷达天线指向固定，仅可对一片海域进行低掠射角探测。 雷达参数雷达型号IPIX雷达发射频率RF9.39GHZ极化方式 HH,VV,HV,VH雷达分辨单元 30m脉冲宽度 200

3、nanoseconds天线脉宽0.9degrees天线增益 45.7dB 发射峰功率 8KW数据介绍本次试验所使用的海杂波数据是1993年11月7日McMaster IPIX雷达测量的海杂波数据，编号为19931107_135603_starea.cdf ，该数据是对海面固定点的波面测量值，当时海面波高约为2.5m。McMaster IPIX 雷达总共有14个距离门，相邻的距离门间距为15m，每个距离采样的样本数为,即131072。因此，海杂波持续时间大约为130s。 数据采集环境时间（当地）13点56分脉冲重复频率（PRF）1000HZ距向分辨率30m俯仰角359.6979deg方位角128

4、.919128.996deg距离单元2574，25892769 metres模糊速度7.9872 metres per second风速、风向9Km/h，300degree浪高约2.1m频谱估计根据IPIX雷达采集的数据，采用两种方法求取多普勒频谱：其一，雷达回波可用复数表示，可通过相函数的导数获得多普勒频移，即时间内的相位差，即得，该方法基于谱估计中脉冲对之间的协方差；其二，直接对雷达回波序列作快速傅里叶变换（FFT），估计多普勒频谱。（一） 脉冲对法相差时间的雷达回波可以表示为如下形式： （1） （2）则： （3） （4）其中：的实部，的虚部取： 雷达的脉冲重复频率 对进行统计分析，得归一

5、化统计分布直方图如图1。从图中可知：雷达回波的多普勒频移集中在很窄的带宽中，在带宽之外有很强的振荡，分析其原因，可能是由于脉冲对之间的相干性引起。 图1为了减小数据中噪声的影响，每256个数据点的做平均，相当于每0.256s看作一个时间点，计算得到多普勒频移随时间的变化如图4-1所示，并与FFT方法所得作比较（二） FFT法运用周期图法，直接对雷达回波序列作快速傅里叶变换，得到多普勒频谱。 （1） 经典周期图法 （5）（2）加窗平均周期图法 （6） （7） （8）运用周期图法计算Range 12的多普勒频谱，如图2所示 图2观察图1和图2可知，同样的数据，得到的频谱是不一样的，图1所示的频率分

6、布直方图，与雷达回波信号的能量无关，图2所示的是归一化后的能量（功率）谱。频谱分析（以第12行为例）（注：HH极化）为了获得多普勒速度，分析上述两种方法求得的频谱，可以运用下述公式求得多普勒频移， （9）多普勒频移是由于运动的目标引起的，相对于雷达的轨道速度即可由多普勒频移计算得到。由知，其中，海浪引起的多普勒频移，雷达的工作波长，海浪的轨道速度。不同时刻海浪的轨道速度是不同的，为研究海浪的运动特征随时间的变化规律，对作如下处理：取的时间间隔，对该时刻附近的256个点（左右各128个点）的数据作FFT运算，得到该一时刻的多普勒频谱，进而计算该时刻的多普勒频移，这样即可获得随时间的变化情况，进而

7、得到的图像。通过计算不同时刻的频谱图，可以估算出海浪的运动周期，从而与海浪谱估计得到的海浪周期作比较。不同时刻的多普勒频谱比照如图4所示。图3-1描述的用脉冲对方法计算得到的多普勒频谱随时间变化，3-2描述的用快速傅里叶变换计算得到的多普勒频谱随时间的变化，对比两幅图可知：由两方法的多普勒频谱大体呈周期变化，因为未去除Bragg频移的影响，中心频移大约为20HZ，而且两者的拟合性较好。由图4观察可知：多普勒频移随时间的呈现周期性的变化，即海浪的轨道速度呈周期性，周期约为10s，与实际基本相符。FFT方法计算的多普勒频移图像如图3-2所示，轨道速度如图5所示图3-1图3-2 图4 图5图6是采用

8、两种方法计算得到的多普勒速度对比图，由图中可知，忽略个别点相差加大，总体来讲两种计算多普勒频谱的方法的拟合性较好。 图6海面的相对雷达的径向速度，既包括海浪的径向速度，又包含海流的径向速度，一般海流的周期相对于采样时间很大，可近似认为海流在采样时间内是不变的，作为随机过程的海浪，其径向速度的平均值近似为零，则即为在采样时间段内的海流速度。如图5，在Range 12（2739m）时，海流的速度海表波场（波高、周期）Longuet-Higgins将多数随机的正弦波叠加起来，以描述海表固定点的波面为 （10）其中，为振幅，为圆频率，为均分布的随机相位。还规定，将频率介于+范围内各组成波的振幅平方之，

9、乘以系数1/2，最后求和。是的函数，其代表海浪能量相对于组成波的频率分布。称为海浪频谱。海浪的相对于雷达的径向速度可以描述为 （11）已由多普勒频谱反演得到，对作傅里叶反变换即得，对作傅里叶变换就得到固定点的表面轮廓，的图像如图7所示。 图7 由图7可知：海浪的表面轮廓曲线可以近似为周期曲线，符合正弦曲线的假设。波浪最高为1.4m，最低为-1.29097m，平均高度为0，与实际情况基本相符合。目前，已提出的海浪谱是有很多的，其中一小部分是由观测得到的波要素（如波高、周期等）连同某些假定推导出来的，大部分则是利用定点波面记录通过谱分析方法得到。利用固定点波面记录求海浪谱，有两种主要方法：应用协方差函数和对周期图应用FFT算法。本实验采用第二种方法，对上述得到的定点表面轮廓应用FFT算法计算海浪谱 （12）第12行的海浪频谱如图8所示，由图8可知：该海浪谱是窄谱，能量集中很小的频率范围内。 图8有效波高可用谱的一阶矩表示， （13） （14）也可以通过海浪的表面轮廓计算获得， （15）根据图8的计算结果，有效波高分别表示为2.3477m、2.3944m在有关海浪谱和海浪统计特性的讨论中，谱宽度是很重要的参量。谱宽度反映谱内能量集中的程度：宽谱表示能量分散，窄谱表示能量集中。谱宽度的定义方式有很多种，现采用其中一种： 谱宽：