导航X波段雷达非均匀浪流场反演及自主定标理论基础研究

X-band marine radar has wide application prospect in the monitoring of nearshore environment. Due to the strong nonlinearity of nearshore ocean waves, conventional Fourier spectral analysis algorithms which based on the linear ocean wave theory are not suitable to be used in the retrieval of nearshore ocean waves and currents. This program aims to study the backscatter characteristics of X-band marine radar when imaging nearshore ocean waves, and propose applicable retrieval algorithms for nearshore ocean wave and current.. Firstly, a numerical ocean wave model is used to simulate nearshore ocean wave field, and the electromagnetic backscatter from sea surface under grazing incidence can be computed by using electromagnetic scattering theory, then the modulation mechanisms of X-band marine radar can be studied; by combining the measurements of an X-band coherent radar, the modulation transfer function that applicable to nearshore region can be established, and then the ocean wave spectrum and current of the whole observation area are obtained. Secondly, the non-Gaussian stochastic ocean wave theory is utilized to derive an anisotropy shadowing function, and then establish an algorithm to retrieve the significant wave height from X-band marine radar without external calibration, by combining with geometrical optics theory and digital image processing technique. Thirdly, study the impacts of rain on the imaging of X-band marine radar by analyzing experimental data, and propose a method to remove its influence. Based on this program, it is hoped that the imaging mechanisms of X-band marine radar can be clearly illustrated, and it is also helpful for the application of X-band marine radar in the monitoring of nearshore environments.

导航X波段雷达在近岸海洋环境观测中有广泛的应用前景，由于近岸区域海浪的非线性性强，传统的基于线性海浪理论的傅里叶谱分析方法不适用。本项目研究X波段雷达对近岸海表面成像时的电磁散射特性，建立适用于近岸非均匀海区的浪流场反演和自主定标算法。. 第一，用数值海浪模式模拟近岸的非均匀波浪场，用电磁散射理论求解掠入射条件下海面的电磁散射回波，理论研究影响X波段雷达对非均匀海面成像的调制机制，再结合利用相参X波段雷达同步观测的海浪谱，建立适用于近岸海区不同位置的调制传递函数，进而反演整个观测海区的波浪场和流场。第二，利用非正态随机海浪理论建立适用于非各向同性海面的阴影分布函数，利用经验正交函数提取雷达图像中的海浪阴影，再结合几何光学理论建立海浪波高的自动定标算法；第三，研究降雨对X波段雷达图像的影响，提出消除雨杂波的方法。通过以上研究，为X波段雷达应用于近岸海洋环境监测提供依据。

导航X波段雷达具有高时间和空间分辨率的优点，已经用于海浪和海流的观测，但是存在以下不足：传统的三维傅里叶变换算法不适用于近岸等非均匀海区、需要利用浮标等外部数据对有效波高定标、雷达图像易受降雨的影响等，这给实际应用带来很大不便。本项目研究了X波段雷达对海面成像的回波特性，建立适用于非均匀海区的浪流场反演算法。第一，研究不同极化的X波段雷达的回波特性，发现HH极化的电磁波对小尺度毛细波敏感，而VV极化对较大尺度海浪的响应更明显。第二，研究海面波浪破碎对雷达回波的影响，并结合雷达成像的微波散射模型提取观测海区不同位置的流场。第三，利用经验正交函数提取导航X波段雷达图像的周期和振幅分布，结合随机海浪理论，建立有效波高的反演方法，不需要浮标等外部数据做定标；实验数据表明，利用HH极化的导航X波段雷达图像序列反演的有效波高与浮标测量值的相关系数、均方根误差和偏差分别为0.78、0.51米和-0.19米，利用VV极化的导航X波段雷达图像反演的有效波高与浮标的相关系数、均方根误差和偏差分别为：0.77、0.51米和0.19米，这表明提出的反演方法是合理的。第四，研究受降雨影响的X波段雷达图像的回波变化，利用复数连续小波变换提取图像中海浪的波峰和波谷信息，减小降雨对海浪参数反演的影响；与浮标测量的有效波高比较，利用原始的导航X波段雷达图像序列反演的有效波高的相关系数和均方根误差分别为0.51和0.76米，而减小降雨影响后的相关系数和均方根误差分别为0.85和0.42米，这表明建立的方法是有效的。利用不同区域、不同X波段雷达系统对提出的方法进行了验证，结果表明方法适用于近岸等复杂海区，解决了传统算法只适用于均匀海区的问题；提出的方法已经得到实际应用。