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原文传递船载高频地波雷达海面电磁散射模型及风浪参数反演方法的研究

论文题名：	船载高频地波雷达海面电磁散射模型及风浪参数反演方法的研究
关键词：	船载HFSWR;海面电磁散射截面积;一阶多普勒谱;海面风向;海面风速;有效波高
摘要：	高频地波雷达(HighFrequencySurfaceWaveRadar,HFSWR)利用垂直极化的电磁波(3-30MHz)绕海面传播衰减小的特点，可实现对海面的全天时、全天候、大范围和超视距的连续监测，雷达系统成本低、易维护，是实现海洋环境立体监测的重要手段。相较于岸基HFSWR，船载HFSWR机动灵活、生存能力强，而且进一步扩大了对海洋监测的范围，是今后的部署趋势，其在军用领域的海上动目标探测和民用领域的海洋动力学参数反演方面具有广泛的应用价值和重要的研究意义。　　HFSWR利用高频电磁波对粗糙海面的一阶和二阶散射机制，可实现对海洋动力学参数的有效测量。目前，岸基HFSWR在海洋遥感领域的理论体系已比较完善，应用技术也较为成熟。国内外均已成功研制出不同型号的HFSWR系统，并在海洋环境监测上得到了广泛应用。然而，船载HFSWR在海洋遥感领域的研究刚刚起步，其理论体系仍不完善，应用技术也有待发展。本文基于粗糙海面的电磁散射理论，将开展船载HFSWR海面电磁散射模型和海面风浪参数反演方法的探索性研究。本文研究成果完善了船载HFSWR海洋遥感的理论体系，为开展船载HFSWR海洋监测应用提供了理论基础和技术支撑。本文的主要研究内容如下：　　（1）基于粗糙海面的电磁散射理论，推导出包含多频六自由度振荡运动模型的单基地和双基地浮式平台HFSWR一阶和二阶海面电磁散射截面积方程。首先，建立了海洋浮式平台六自由度振荡运动的数学模型。随后，推导出包含单频六自由度振荡运动模型的单基地浮式平台HFSWR一阶和二阶海面电磁散射截面积方程，并将推导结果扩展到包含多频六自由度振荡运动模型的单基地和双基地的情况。然后，通过仿真分析了浮式平台六自由度振荡运动对HFSWR一阶和二阶海面回波谱的影响，解释了单、双基地浮式平台HFSWR海面回波谱的异同，并研究了双基地角的影响。最后，通过实测雷达数据对理论推导结果进行了初步验证。该部分推导和分析为后续船载HFSWR海面电磁散射截面积方程的推导和今后基于浮式平台HFSWR的海洋遥感应用奠定了理论基础。　　（2）在前一部分研究内容的基础上，推导出包含匀速直线运动和多频六自由度振荡运动模型的船载HFSWR一阶和二阶海面电磁散射截面积方程。首先，建立了船载平台六自由度振荡运动的数学模型。随后，基于浮式平台HFSWR的海面电磁散射理论，推导出包含匀速直线运动和单频六自由度振荡运动模型的船载HFSWR一阶和二阶海面电磁散射截面积方程，并将推导结果扩展到包含多频六自由度振荡运动模型的情况。然后，通过仿真分析了匀速直线运动和六自由度振荡运动对船载HFSWR一阶和二阶海面回波谱的影响。最后，通过实测雷达数据初步地验证了一阶Bragg峰的展宽现象。该部分的推导结果和分析为后续利用船载HFSWR进行海洋动力学参数反演提供了理论依据。　　（3）针对船载平台甲板空间小引起的问题，提出了一种利用单天线船载HFSWR反演海面风向的方法。首先，理论分析了船载HFSWR一阶多普勒谱的展宽模型。其次，当海浪扩展因子为经验值时，利用正、负一阶Bragg峰强度的比值建立了海面风向反演的数学模型。然后，基于一阶多普勒谱的展宽特性，提出了一种利用单天线船载HFSWR反演海面风向的方法，并利用最小差值法解决了海面风向模糊的问题。最后，通过仿真和船载HFSWR实测实验初步验证了该方法的可行性和有效性。　　（4）基于海浪扩展因子与风向和风速的关系，提出了一种利用单天线船载HFSWR一阶多普勒谱同时反演海面风向和风速的方法。首先，当海浪扩展因子为变量时，利用正、负一阶Bragg峰强度的比值建立了海面风向和海浪扩展因子的数学模型。随后，基于一阶多普勒谱的展宽特性，提出了一种利用单天线船载HFSWR提取无模糊的海面风向和海浪扩展因子的方法。然后，基于阻力系数和海浪扩展因子的数学模型，建立了海面风速和海浪扩展因子的对应关系，并可以利用已获得的海浪扩展因子计算海面风速。之后，通过仿真分析了雷达覆盖海域平移、实际航行条件和外部高斯噪声对该方法的影响。最后，通过船载HFSWR实测实验初步验证了该方法的有效性并对其性能进行了评估。该部分获得的海面风速信息为后续利用船载HFSWR进行有效波高反演提供了数据支撑。　　（5）基于海面风速和有效波高的数学模型，提出了一种利用单天线船载HFSWR一阶多普勒谱反演海面有效波高的方法。首先，基于物理海洋学理论，引入了海面有效波高和无向海浪谱之间的关系，建立了海面有效波高和风速的数学模型。然后，对前一部分获得的海面风速数据进行优化处理，并将优化后的风速数据带入海面有效波高和风速的数学模型，即可得到海面有效波高。在海浪充分发展的情况下，该方法的有效性通过船载HFSWR实测实验进行了初步验证。
作者：	姚国伟
专业：	信息与通信工程
导师：	谢俊好
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工业大学
学位年度：	2020