第 28 卷 第 5 期 海 洋 学 报 Vol. 28 , No. 5
2006 年 9 月 ACTA OCEANOLO GICA SIN ICA September 2006
船载雷达观测海浪的研究
任福安1 ,邵秘华2 ,孙延维2
(11 大连海事大学 轮机工程学院 ,辽宁 大连 116026 ;21 大连海事大学 环境科学与工程学院 ,辽宁 大连 116026)
收稿日期 : 2005203225 ; 修订日期 : 2006204204.
基金项目 : 国家海洋局资助项目 (982161) .
作者简介 : 任福安(1964 —) ,男 ,辽宁省大连市人 ,教授 ,博士 ,从事海洋监测技术研究与海洋环境工程工作. E2mail :Renfa @newmail. dlmu. edu. cn
关键词 : 船载雷达 ;图像 ;波谱 ;海浪
中图分类号 : P731122 ;V 443 + 12 文献标识码 : A 文章编号 : 0253241932(2006) 0520152205
1 引言
随着海洋工程的迅速发展 ,海洋资源开发和海洋
环境保护以及海洋减灾防灾监测预报服务等各方面
都特别需要沿岸近海的海浪动态特征信息. 目前对海
浪研究一般采用两种方法 , 一是动力学方法 , 二是统
计学方法 ,但在研究中往往将两种方法结合起来[1 ] .
比较经典的方法是利用流体力学方程研究理想的规
则波动 (正弦波动、余弦波动、斯托克斯波动等) ,把海
水视为不可压缩的理想流体 ,运动是无旋的. 这一类
的研究成果能够说明海洋中实际发生的一些比较规
则的波动现象.另一种研究海浪的方法是将实际观测
资料与波动理论结合起来 ,将实际海浪视为许许多多
振幅不等、相位各不相同的正弦波的叠加 ,利用谱分
析方法确定组成波谱的特征 ,但是对海浪观测 ,尤其
远距离对海浪观测是十分困难的.
自 1978 年美国首次在 Seasat 卫星上装载合成
孔径雷达 (SAR)以来 ,国际上在利用星载 SA R 获得
的高分辨率海浪雷达回波图像进行海浪分析方面开
展了多方面的研究 ,并取得了一系列成果[ 2~5 ] . 近年
来我国研究者在利用星载 SA R 观测海浪现象方面
也进行了相关的研究和探讨[ 6 ]~[9 ] ,但距工程应用尚
有一段距离. 国内外的海洋遥感学家在研究 SAR 的
海浪成像中主要得出以下几个结论[6 ] :一是星载
SAR 成像过程中速度调制是最主要的调制
机制
综治信访维稳工作机制反恐怖工作机制企业员工晋升机制公司员工晋升机制员工晋升机制图
;二
是星载 SAR 图像谱相对海浪谱有 180°的方向模糊 ,
需通过对成像海区海浪概况的了解或通过其他手段
来确定海浪的传播方向 ;三是非线性效应导致 SA R
图像谱在方位上存在高波数截断 ,截断波数之后有
信息丢失 ;四是沿距离向传播的海浪 ,它的 SA R 图
像谱存在“双峰”现象 ;五是极化方式和雷达视向对
星载 SAR 海浪成像没有明显影响.
近十几年来美国、德国、荷兰、日本等国家相继
尝试利用航海雷达观测雷达回波来获取雷达海浪图
像 ,进行空间2频率域转换 ,并进行波浪 (能) 谱分析 ,
采用快速傅立叶变换 ( FF T) 来计算海浪要素 ,为雷
达海浪图像的研究提供了许多成功的例子[10 ,11 ] . 德
国 GKSS 研究中心开发了一种可处理海洋杂波的
系统 ,利用航海雷达采集海浪图像进行波浪 (能) 谱
分析. 国内在利用船载雷达观测海浪以及雷达海浪
图像处理和分析方面的研究鲜见报道.
雷达技术的发展 ,特别是小型高效的船载雷达
技术的进步为工程使用雷达技术远距离观测海浪提
供了条件 ,为此我们开展了这方面的研究工作 ,成功
地研究开发了雷达海浪图像观测和处理系统 ,并且
针对船载雷达的特点 ,为工程实际应用的方便 ,研制
了海浪雷达图像测量纪录仪 ,将船载雷达观测的海
浪图像数字化 ,便于计算机处理. 船载雷达对海面以
312 s 的更新率直接获得实口径的高分辨率海浪雷
达图像 ;以 20 M Hz 的采样速率对海浪雷达回波作
高速 A/ D 变换 ,并采用雷达图像处理技术得到雷达
海浪数值图 ;进行空间滤波技术处理 ,得到雷达海浪
模式图 ;采用二维波谱分析和数据处理 ,计算出海浪
主要参数 ,包括波向、波高、周期、波速等. 在渤海、黄
海进行的现场观测试验中 ,结
合同
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步实测海浪数据 ,
采用模式识别技术进行对比 ,结果有很好的相关性.
现场实测结果
表
关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf
明 ,我们在国内首次研制的雷达海
浪监测技术系统具有重要的使用价值和广阔的应用
前景.
2 雷达海浪图像观测和处理系统
本系统首次在国内采用船载雷达对海面波浪进
行测量 ,用自行研制的海浪雷达图像测量记录仪把
海浪雷达回波的视频信号经数字化、图像化处理 ,以
数字图像模式送入计算机进行海浪图像数值化处
理. 系统构成框图如图 1 所示.
图 1 雷达海浪图像观测和处理系统框图
雷达海浪图像观测与处理系统由船载雷达、雷
达海浪图像测量记录仪、通讯系统和计算机处理终
端等组成 ,各观测设备的主要性能指标如下.
船载雷达的主要性能指标 :波长为 3 cm ,属 X2
波段 ;发射频率为 9 375 M Hz ;波束宽度为 018°×
25°;天线转速为 18~20 r/ min.
海浪雷达图像测量记录仪的主要性能指标 :采
速频率为 20 , 10 , 5 M Hz ,可任选 ;幅度分层为 12
bit ;采幅为 1 024 ×768 ( PPI 显 ,即以雷达为中心等
距点为圆弧线的极坐标显示方式) 、2 048 ×6 540 (B
显 ,即角方位2距离的直角坐标显示方式) ;像素点为
15 m ×15 m.
计算机终端配置 :主要包括主计算机、高分辨率
显示器、打印机和传输接口.
控制方式 :由系统程序通过计算机全自动采集
(无人值守)或人工选定采集.
3 海浪图像分析原理
对海浪可以用一个二维谱进行描述 ,某时某地
海洋波浪场的所有统计特征均可从谱函数中获取.
从高分辨率的雷达图像能够测量海浪谱. 从雷达图
像获取海浪谱较为复杂 ,国际上许多研究者在这方
面作过研究[2 ,3 ] .
可把雷达海浪回波信号看作一个空间的二维数
列.为了提取海浪信息 (波长、波高、波向、波速) ,必
须将二维的海浪回波图像数据从空间域转换到频率
域进行分析.
假设 g ( x , y) 代表二维海浪回波数据 ,则其二
维傅立叶变换式可表示为
G(σ1 ,σ2 ) = ∑
N - 1
x =0 ∑
M- 1
y =0
g( x , y) exp - 2πj σ1 xN +
σ2 y
M ,
(1)
式中 ,σ1 ,σ2 为波数 ,σ1 = 0 ,1 ,2 , ⋯, N - 1 ,σ2 = 0 ,1 ,
2 , ⋯, M - 1.
对二维自功率谱 (波能谱)可描述为
P(σ1 ,σ2 ) = G(σ1 ,σ2 ) G(σ1 ,σ2 ) , (2)
式中 , G(σ1 ,σ2 ) 为 G(σ1 ,σ2 ) 的复共轭函数. 因文中的
海浪数据为连续的扫描结果 ,故互功率谱为
Pc (σ1 ,σ2 ) = G1 (σ1 ,σ2 ) G2 (σ1 ,σ2 ) , (3)
式中 , G1 (σ1 ,σ2 ) , G2 (σ1 ,σ2 ) 为观测到的两个连续海
浪回波数据.
自相关函数 Ra ( x , y)和互相关函数 Rc ( x , y) 分
别由能量谱和互功率谱的反傅立叶变换获得 :
Ra ( x , y) = ∑
N - 1
σ1 = 0
∑
M - 1
σ2 = 0
P(σ1 ,σ2 ) 2πj σ1 xN +
σ2 y
M
,
(4)
Rc ( x , y) = ∑
N - 1
σ1 = 0
∑
M- 1
σ2 = 0
Pc (σ1 ,σ2 ) 2πj σ1 xN +
σ2 y
M .
(5)
根据雷达海浪回波的二维波谱及其相关性可计算出
波长 :
λ = δB
σ21 +σ22
, (6)
式中 ,λ为波长 ;δ为雷达的距离分辨率 ; B 为图像数
据大小. 波向虽不能仅由自功率谱获得 ,但是可以通
过两个连续时刻的海浪雷达图像的互功率谱识别
出来 :
θ= arctan σ1σ2 , (7)
式中 ,θ为波向. 波速可由两个连续时刻的海浪图像
的互相关函数得到 :
c =
δ x 2 + y2
T
, (8)
式中 ,c 为波速 ; x , y 为对应于互相关函数最大值的
3515 期 任福安等 :船载雷达观测海浪的研究
海浪图像点的位置坐标 ; T 为雷达天线的扫描周期.
波高可由海浪图像的自功率谱强度得到.
4 雷达海浪图像的采集、处理和分析
将船载雷达与海浪图像测量记录仪和计算机相
结合 ,组成雷达观测海浪测试系统和图像数据化处
理系统 ,对雷达回波同步 PPI 显示以极坐标形式形
成雷达海浪图像. 雷达观测的海浪图像经数字化处
理后得到海浪图像数据文件 ,送入计算机进行海浪
图像数据的处理和分析 ,图 2 为雷达海浪图像数据
处理和分析
流程
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图.
图 2 雷达海浪图像数据处理和分析流程图
从雷达海浪图像数据的采集、统计处理、特征提
取到最终计算结果的保存和显示等全部由计算机控
制自动完成. 该过程主要由三个功能模块组成 : (1)
计算机和雷达海浪图像采集实时控制模块 ; (2)海浪
图像数据的统计处理及其特征提取模块 ; (3)海浪要
素的计算、显示、保存模块.
5 船载雷达观测海浪的现场测试和结
果分析
分别在岸站、中国海监船上进行了船载雷达观
测海浪现场测试.
在海面 0~6 级海况下分别进行了船载雷达对
海浪的定时和连续观测 ,其中在黄海海区观测到西
北大风 ,风力为 6 级 ,海况为 5~6 级 ,共采集到大风
浪、高海况条件下的船载雷达海浪 PPI 图像 500 余
幅. 图 3 是一张船载雷达定时采集的典型的雷达
PPI 海浪图像 (经过滤波处理) ,从中可以很明显地
看到条纹状的波浪.
将船载雷达海浪 PPI 图像数据进行二维 FF T、
空间2频率域转换 ,得到二维海浪自功率谱 (波能
谱) 、互功率谱 ,再进行反傅立叶变换 ,分别得出自相
关函数和互相关函数 ,从中分别计算出波高、波长、
波向、波速等海浪要素.
以图 3 为例 ,雷达海浪图像经数值化处理后 ,采
用 FF T 变换对雷达海浪图像进行分析可以迅速获
得如图 4 所示的海浪自功率谱 ,这种极坐标图表明
波数呈径向增长 ,主要的波列对应图像的变化峰 ,为
对应于 315°方向上的风浪. 图 5 为实测获得的
标准
excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载
风浪谱特征曲线.
图 3 雷达采集的 PPI海浪图像
图 4 波能谱Ο空间域分布图
图 5 波能谱Ο频率域分布图
451 海洋学报 28 卷
在空间2频率域转换中 ,通过二维自功率谱分析
计算出海浪高度 ,由图 6 给出的二维自功率谱经分
析计算得出海浪高度为 0184 m.
通过二维自功率谱分析计算波长 ,由图 7 给出的
二维自功率谱经分析计算得出海浪波长为 132 m.
图 6 自功率谱计算的波高
利用相邻连续两次雷达海浪图像数据 ,通过互
功率谱的分析计算确定波向 ,由图 8 给出的二维互
功率谱经分析计算得出海浪波向为 315°.
图 7 自功率谱计算的波长
通过互相关函数计算波速 ,由图 9 给出的二维
互相关函数分析计算得到的海浪波速为 12 m/ s.
此外 ,在海浪现场观测中 ,除了将自行研制的雷
达海浪图像观测和处理系统 (硬、软件) 进行了现场
运行测试外 ,同时还进行了现场的同步实测. 对雷达
观测计算的海浪数据与现场同步实测的海浪数据进
行了比较、检验 (表 1 给出了部分实测和计算数据) ,
其结果具有较好的相关性 ,其中波高的相关系数为
01726 (图 10) .
图 8 互功率谱计算的波向
图 9 互相关函数计算的波速
图 10 雷达测得的波高与实测波高对比图
6 结论
(1)现场测试表明 ,利用船载雷达实时观测海
浪 ,对雷达海浪图像进行处理分析提取海浪要素的
方法是可行的、有效的.
(2)船载雷达海浪测量和处理系统可以实现全
天候、全天时、实时、快捷、较大海域范围内的海浪要
素测量.
(3)由自行研制的海浪雷达图像测量记录仪得
5515 期 任福安等 :船载雷达观测海浪的研究
表 1 2001 年 2 月 10 日在黄海、渤海海区实测海浪数据和计算结果
实 测 值
观测时刻 风向/ (°) 风速/ m ·s - 1 海况 (级) 波形 波向/ (°) 波高/ m
计 算 值
波向/ (°) 波高/ m
08 :38 313 81 8 3 FU 310 01 7 308 01 68
09 :52 313 91 7 4 FU 305 11 8 310 11 13
11 :25 313 91 0 4 FU 315 11 6 313 11 18
13 :00 303 1016 4 FU 315 11 7 315 01 84
14 :42 313 91 5 4 FU 310 11 7 310 01 82
16 :16 293 91 8 4 FU 305 11 9 306 11 23
到的高分辨率数字化海浪图像具有足够的海浪要素
信息 ,满足海浪谱分析的要求.
(4)现场实测对比分析表明 ,由船载雷达海浪测
量与处理得到的海浪要素具有较好的相关性 ,波高
的相关系数为 01726 ,波向的误差小于 ±5°.
7 结语
船载雷达海浪测量和处理系统是利用先进的雷
达技术和图像捕捉及处理技术 ,首次在国内将船载雷
达应用于海浪的工程实际观测中 ,并获得成功. 它是
我国海浪观测手段的一个新的突破 ,具有其他观测方
法无法比拟的优越性和广泛的应用价值.经过岸站和
中国海监船上的现场检验 ,该系统技术先进、运行稳
定、设备性能良好、安全可靠.船载雷达海浪图像数据
采集、处理、分析、绘图等处理程序及功能模块运行可
靠、灵活方便、实用. 该系统可在岸站、海上平台及海
洋船舶上配置使用 ,可全天候、实时、快速、准确地提
供雷达海浪监测产品 ,直接为用户服务. 需要提及的
是 ,对于海浪数据处理的研究、海浪杂波因素干扰识
别以及现场标定等尚需作进一步的研究.
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(1. M arine Engineering Col lege , Dalian M aritime Universit y , Dalian 116026 , China; 2 . Envi ronmental Science and
Engineering Col lege , Dalian M ari time Universit y , Dalian 116026 , China)
Key words :ship borne radar ;image ;spect rum ;sea wave
651 海洋学报 28 卷