分布式高频超视距雷达探测与组网技术研究

高频地波雷达海洋环境监测技术在国家863计划持续支持下已形成较为完整的自主知识产权体系,并已开始了产业化进程。随着国家海洋资源开发、生态与环境保护、防灾减灾以及国防战略等需求的日益增长,一方面要求提高雷达对沿岸海洋要素探测的精细化程度,另一方面也要求显著提升雷达对远海的探测能力,突破地波雷达目前仅能沿海岸线布设的模式。该项目研制并建设成一个分布式高频超视距雷达海洋环境监测示范网,它由一部浮标式高频地波雷达、三部具有"多发多收"工作模式的双/多频岸基高频地波雷达和一个高频天波发射站构成,通过卫星同步组成可协同工作的天-地波综合海洋环境探测网。实现近岸200 km精细化观测、岸基350 km探测、浮标式高频地波雷达条件下远至离岸1 000 km范围(涵盖日本附近、台湾以东的远海)海洋表面动力学要素信息的快速获取。开展规范化比测试验,推动高频超视距雷达风、浪、流探测尤其是对灾害性海洋天气和海上环境事故的监测进入业务化运行水平,为我国大面积海洋环境监测提供新型骨干设备。     

岸基微波超视距雷达探测距离预报方法

提出了一种预报岸基微波超视距雷达最大探测距离的方法.实时采集岸海交界处的气象水文信息,利用P-J模型获取蒸发波导折射率剖面,用抛物方程模型计算电磁波传播损耗,通过修正后的雷达方程得出最大探测距离的预报值.基于上述方法设计并实现了岸基微波超视距雷达探测距离预报系统,对预报系统进行实验并与实际观测结果进行比较,表明:该预报系统的预报结果与雷达实际观测结果的偏差大部分小于40km,具有较高的预报精度.     

蒸发波导环境下雷达电磁盲区的分布特征

蒸发波导是近海面大气环境中出现概率最高的一种大气波导,利用蒸发波导可以实现雷达超视距探测.然而,由于蒸发波导的存在,雷达的电磁盲区也会发生不同的变化,从而对岸基、舰船雷达的探测性能产生极大的影响.基于射线追踪技术,构建了电磁波传播路径的微分计算方法,并对蒸发波导环境中的岸基、舰船雷达电磁盲区随雷达天线高度变化特征进行了...     

湛江港海域台风浪模拟研究

利用第3代近岸海浪数值模式对影响南海湛江港海域的3次台风浪过程进行了模拟研究。结果表明：由藤田台风模型同化相应时刻的台风要素、NCAR网格点资料、单站观测资料后提供模式所需风场，利用自嵌套方式提供模式所需波谱边界条件的处理方法，对这3次台风浪的模拟来说，是较为理想的，此方案可为该海域台风浪的模拟预报提供较好的参考。     

曲线坐标下波浪抛物型缓坡方程及近岸流数值模型研究

建立了曲线坐标系下的波浪抛物型缓坡方程及近岸流数值模型,对不规则岸线地形下的波浪传播变形及近岸流运动进行了数值模拟研究.首先基于曲线化抛物型缓坡方程建立了正交曲线坐标系下的近岸波浪传播数值模型;然后通过正交曲线变换建立了正交曲线坐标系下的近岸流数值模型;进而基于波浪辐射应力的概念,耦合上述数值模型,对Gourlay模型实验和Hamm模型实验中不规则岸线地形条件下的波浪传播变形及近岸流运动进行了数值模拟研究,并结合实测资料对数值模拟结果进行了验证分析;最后基于上述耦合数值模型对美国San Francisco海湾的Ocean Beach海岸波浪斜向入射所产生的波浪场及波浪破碎所形成的近岸流进行了数值模拟研究.对比分析表明,本文数值结果与实验结果或其它学者所得数值结果基本一致,从而验证了本文数值模型的有效性.     

高频地波雷达观测的南黄海辐射沙脊群夏季表层流场

利用2011年7月的高频地波雷达观测与现场同步常规观测资料和卫星风场资料,分析南黄海辐射沙脊群夏季表层余流特征.结果表明,南黄海辐射沙脊群近岸海域的表层余流向海辐散,外围海域的夏季表层余流向北.南黄海辐射沙脊群近岸海域表层余流的辐散格局主要受潮波与沙脊群水下地形的相互作用影响,外围海域夏季的北向表层余流格局主要受风场的控制.高频地波雷达观测的余流场为南黄海西部夏季浒苔迁移和平面分布的解释提供了佐证.     

超高频雷达基于河流回波的通道校准算法

针对河流探测的超高频雷达系统,提出了一种利用河流回波信号校准阵列通道的算法.单站超高频雷达垂直于河道方向的径向流速为0m/s,其回波信号对应多普勒谱图的布拉格频点处,利用该频点可以对通道进行校准.这里研究了利用布拉格频率处的回波谱对超高频雷达系统进行通道校准的方法,实测数据处理结果表明,该方法对空间谱估计性能的改善十分明显,大幅提高了信号到达角估计的准确性.     

超高频雷达系统海面风向反演试验研究

将超高频雷达用于海面风向反演,基于正负一阶峰比值与风向的半经验关系提取风向,采用数字波束形成进行方位信息提取,并利用最小二乘多波束法解决风向模糊问题,雷达反演结果与浮标数据相关系数为0.85,均方根误差为25°,在小风速下,超高频雷达风向提取结果与浮标相关系数达0.9,误差为26°.试验结果表明利用超高频雷达监测海面风向具有可行性和有效性.     

航海雷达的岸基应用系统

各种岸基监控领域采用通用航海雷达替代专门岸基雷达,使监控系统更经济可靠并便于维护.本文提出基于航海雷达的岸基监控系统的构建方案,讨论系统信息处理功能,给出雷达与AIS目标数据融合的基本方案,该方案已在长江大桥安全监控系统中实际应用,并获得良好的使用效益.     

用混合紊流模型求解沿岸流和离岸流

本文从水深平均的纳维埃-斯托克斯方程出发,以Longuet-Higgins模型为基础,引入波浪驱动力、紊动粘性和底部切应力,并适当调整紊动粘性系数的分布和底部切应力,构成混合紊流模型,以求解港池中的沿岸流和离岸流.数值计算结果与实验资料符合甚好,表明本文提出的混合紊流模型是求解近岸流的行之有效的方法、     

基于BP神经网络的高频雷达有效浪高场反演

针对传统利用一、二阶峰功率,二阶与一阶峰功率比(RSB)等雷达回波参数与浪高的简化关系模型反演有效浪高,存在较大误差的问题,提出一种基于BP(反向传播)神经网络的有效浪高反演方法,获取雷达回波参数与浪高间更准确的关系,以提高反演精度.首先将上述三种雷达回波参数作为输入,海洋数值模型提供的有效浪高作为输出,训练回波参数与浪高的关系模型;然后将雷达回波参数代入训练好的模型中,即可实现有效浪高场的反演.现场实验表明:雷达在不同方位角/距离元上所反演的浪高时间序列与数值模型有效浪高间的相关系数为0.78～0.98,均方根误差为0.21～0.80 m,二者统计均值分别为0.93和0.38 m.与假设RSB和浪高的对应关系是线性模型的方法相比,该方法具有更高的反演精度.     

潮汐对近岸地下水水位波动影响的试验研究

利用自行研制开发的潮汐模拟自动控制系统,对潮汐影响下近岸地下水水位波动和周期平均地下水水位超高进行了试验研究.试验结果表明:近岸任意一点地下水水位随时间变化具有不对称性,水位上升比下降快;潮汐信号在地下水传播过程中会产生周期性的水位波动,随着离岸距离的增加,水位波动振幅衰减加快;潮汐在沿岸潜水层中形成的地下水水位超高最大可以达到含水层厚度的10%左右.潮汐的振幅和频率对近岸地下水水位超高有着重要的影响,在相同条件下频率对地下水水位超高的影响较振幅大;潮汐对地下水水位超高的影响还与近岸潜水层的厚度有关.     

基于实测数据的机载波谱仪斑点噪声估算方法

针对斑点噪声和雷达响应函数影响波谱仪测浪结果的问题,基于机载波谱仪挂飞试验的实测数据,提出了一种斑点噪声估算方法.该方法采用最小二乘拟合高斯函数参数,估算斑点噪声和雷达响应函数.利用估算结果对海浪调制谱进行修正,分析斑点噪声和雷达响应函数对测浪结果的影响.结果表明,斑点噪声修正使有效波高值平均减小12%;雷达响应函数修正将使有效波高值平均减小2.9%,证明了斑点噪声修正对于估算波浪谱相关物理量的必要性和本文提出估算方法的有效性.      

沿岸流不稳定运动对时均沿岸流影响

通过物理模型实验以及数值方法研究了沿岸流不稳定运动对时均沿岸流的影响.首先简要介绍了沿岸流不稳定运动测量实验并给出了测量结果;然后建立了考虑沿岸流不稳定运动的数学模型,该模型中引入了沿岸流不稳定运动引起的辐射应力项,为了使数值分析与实际情况相吻合,该模型中考虑沿岸流不稳定运动引起的辐射应力由实验中观测到的结果求得.利用求得的应力项,粗略分析了沿岸流不稳定运动引起的侧混系数的范围,结果表明该范围为0～0.04.利用该模型数值分析了沿岸流不稳定运动对时均沿岸流的影响,结果表明其影响很小.     

色散关系带通滤波器设计

为消除X波段雷达海杂波图像谱中非海浪能量,设计了色散关系带通滤波器（DRBF）.其带宽由测量海域主导波波数和估计的最大相对流速共同确定.根据主导波波数调节滤波器带宽,能使算法较好地适应海浪的特点;DRBF带宽由估计的最大流速调节,解决了传统上依赖实测流速构造DRBF不准确的问题.使用岸基实测雷达图像实验,将DRBF提取海浪谱反演得到的有效波高与现场传感器获得的有效波高进行比较,两者具有很高的相关性和很小的误差,可见设计的DRBF具有良好的性能和较高的可行性.     

开敞式海堤波浪计算初探

面临外海的开敞式海堤工程设计中波浪要素及其近岸变形和越浪量的计算是海堤堤顶及断面设计的关键因素,本文通过对南日、岩下、东吴等开敞式海堤工程设计实例,对波浪计算的方法、结果进行分析比较,阐述开敞式海堤设计工作中波浪要素及其近岸变形计算的要点和越浪量分析的方法,以供参考.     

2016年初夏一次局地强对流天气过程分析

利用常规观测资料、区域自动站加密观测资料和郑州多普勒雷达产品,对2016年6月4日新乡地区一次局地性强并伴有雷暴大风、冰雹和短时强降水等灾害性天气的强对流天气过程的环境背景和多普勒雷达产品特征进行了分析.结果表明:高低层温度平流差动加强了层结不稳定,为对流天气提供了良好的环境背景条件;入流气流温湿状况及雷暴高压的出流可影响新生对流的发生发展;多普勒雷达产品对强对流天气的预报预警有较强的指示作用.     

便携式近程高频地波雷达海流对比试验

为了验证便携式近程高频地波雷达的海流观测性能,利用海流计现场观测数据作为参照,分别评估从两个雷达站合成得到的矢量流精度和两个雷达站各自独立测量得到的径向流精度.根据矢量流评估结果,得到流速的均方根误差为10.37 cm/s,流向的均方根误差为15.12°;根据两个雷达站的径向流评估结果,得到其中一个雷达站测得的径向流均方根误差为10.83 cm/s,另一个雷达站的径向流均方根误差则为13.50 cm/s.对两个雷达接收到的海洋回波信号的信噪比进行分析,结果表明两个雷达站的径向流精度差别由回波信噪比引起.     

随机波波生流的数值模拟

为了更合适地反映实际海浪的随机性,作者采用随机波折射－绕射模型和波生流模型对近岸海域中的波生流进行数值模拟,探讨不同条件下随机波波生流的流场结构。通过计算发现除地形对随机波波生流有明显影响外,波生流的大小同入射波高及波浪破碎关系密切,其流向特别是离岸流的位置与入射波向有关。     

改进的非相参导航雷达探测有效浪高算法

针对X波段非相参导航雷达对海杂波的成像,研究了利用信噪比和布拉格散射探测有效浪高的方法,提出一种用最大流速带通滤波来分割信号与噪声获取信噪比的算法。结合信噪比与有效浪高的关系,经相关定标处理,得到探测区域连续的有效浪高。与传统的X波段导航雷达测高方法相比,该算法不需要得到雷达探测区域精准的流速,简单高效,占用资源少。与舟山浮标有效浪高数据的对比,表明其有效提高了雷达测浪高的便捷性和稳定性。