基于新型单极子/交叉环天线阵列的高频地波雷达风浪探测技术研究

Wave and wind measurement with small-aperture high-frequency surface wave radars (HFSWR) is an very important but difficult problem in marine remote sensing.The broad beamwidth is the main reason for the increased errors in the conventional Barrick's method for ocean wave inversion.This project mainly researches the techniques of wave and wind measurement based on a new-type monopole/cross-loop antenna array, where both the information- and signal-level measures are taken, i.e. new method for wave and wind extraction and spatial-domain signal processing method for the new-type two-dimensional array.On the information level,we propose a new method for wave calculation using the ratio between the peak values in place of the integrations of the second and the first order spectrum, a new method to achieve the spatially high-resolutional wave distribution by direction-finding of the second order Bragg resonance line spectra, and a method to calculate the wind speed by a neural network trained by the buoy data.On the signal level, we propose the use of the new-type two-dimensional monopole/cross-loop antenna array to achieve the optimal beamforming and anti-interference performances,and the automatic antenna pattern calibration method to improve the performance of the array.The research results of the project are expected to make substantial breakthrough for the wave and wind inversion with small-aperture HFSWR,making them work better for the economic construction and the coastal defence of China,generating great economic and social benefits.

小口径高频地波雷达风浪探测是海洋探测领域亟待解决而又困难的重要问题，波束较宽是导致常规Barrick浪高反演算法误差增大的主要原因。本项目主要研究基于新型单极子/交叉环天线阵列的风浪反演技术，在信息和信号层面双管齐下，研究风浪场反演新方法和基于新型垂直面二维单极子/交叉环阵列的空域信号处理方法。在信息提取层面，提出用二阶谱与一阶谱峰值之比代替Barrick算法中的积分比、拟合计算浪高的方法，并提出对常出现的二阶Bragg散射线谱进行定向以得到空间高分辨浪高分布的方法，进而由已经过浮标数据训练的神经网络计算风速；在信号处理层面，提出利用新型二维单极子/交叉环阵列最大程度利用口径、形成最优波束和最佳干扰抑制性能，并提出交叉环天线方向图自动估计算法以提升阵列性能。本项目的研究成果可望形成小口径高频地波雷达风浪探测技术的实质性突破，使其更好地服务于我国经济建设和海防事业，产生重大的经济和社会效益。

紧凑阵列高频雷达的风浪探测是一个难点。本项目主要研究基于新型交叉环单极子天线阵列的高频地波雷达风浪探测技术，从信息层面和信号层面可分为风浪场反演新方法和新型二维单极子/交叉环阵列的自适应波束形成方法两大方面的内容；前者是核心，而后者为信息提取提供有力保障，二者有机结合，相互促进。研究内容主要包括：1）新型天线阵列的波束形成与信号增强方法；2）天线通道校正方法；3）紧凑阵定向误差分析；4）风浪反演新模型与新方法；5）新型天线与雷达接收机研制；6）现场实验验证。项目取得的主要研究进展包括：1）提出了由二次谐振峰反演浪高的新方法；2）提出了新的二阶连续谱指标量及浪高反演方法；3）提出了新的一阶峰幅度响应模型及浪高反演方法；4）开发了紧凑阵雷达风速提取方法；5）提出了新型交叉环阵列的波束形成方法；6）提出了交叉环天线通道幅相自动校正的方法。本项目还设计制作了3层交叉环天线，搭建多通道接收机系统，并进行了多次海边现场实验，对提出的方法进行了细致地检验，验证了上述方法的有效性，并积累了丰富的实测数据。本项目发表SCI论文15篇，获授权国家发明专利5项和实用新型专利4项；培养博士生9人，硕士生6人。