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超视距雷达表层海水电导率分布反演方法研究

陈骁锋  
【摘要】:高频段电波在随机粗糙海面传播时会产生散射作用,高频地波雷达接收后向散射回波,能够从回波信号获取海流、海浪等海洋参数。武汉大学历经多年努力,研制出了OSMAR (Ocean State Monitoring and Analyzing Radar)系列高频地波雷达产品已经能够实现工程化应用。本文在“863计划”支持下,利用布设在福建台湾海峡西南海域的高频地波雷达OSMAR观测得到的雷达数据进行相关研究。现阶段高频地波雷达海洋遥感主要关心流、风、浪的反演,在电导率测量领域几乎没有任何研究。表层海水电导率是影响电磁波沿海面传播的重要介质因素之一,对于地波模式而言,对表层海水电导率尤为敏感。电导率的值越小电磁波在海洋表面的衰减速度越快;改变电导率会直接改变电波衰减特征。本文将在这些衰减特征的基础上,研究了表层海水电导率反演方法。主要研究内容如下:1)研究电波在海面上传播和散射的理论模型,作为电导率反演的理论基础。基于雷达方程归纳出用以描述电波能量变化的因素有:发射功率、发射天线增益、接收功率、接收天线增益、天线阵列、电波频率、波形参数、探测距离、衰减因子、散射截面。对于高频地波雷达系统,发射功率、天线增益、天线阵列、电波频率在雷达系统中是恒定量;波形参数依据雷达系统需求设定;探测距离根据调频信号频率准确获取;衰减因子描述电波在海水与大气的水汽交界面上传播时的能量损耗;散射截面描述雷达照射范围内的随机海面对电波的散射能量大小。2)仿真分析了电导率对散射系数和衰减因子的影响。基于双尺度散射模型研究了风向、风速、电导率对散射系数的影响模式;在均匀介质和非均匀介质上根据不同的衰减因子表达式,仿真了电导率对二者的影响。分析了电导率、风、浪等参量对雷达回波信号能量的影响。它们直接作用于散射截面与衰减因子,以各自不同的形式,间接影响雷达方程。电导率同时存在于散射截面与衰减因子中,对散射截面的作用不受距离影响,对衰减因子则会累积途径距离上的影响。风、浪可以用海浪谱描述,存在于散射截面中,在简化模型中认为该量为恒定值。3)对长时间的雷达实测数据进行了特征分析。根据高频地波雷达回波信号的特征,采用距离多普勒数据进行电导率反演,确立了基于电导率反演的回波功率定义、海浪能量定义、目标消除方法。提出了适用于不同电导率反演方法的数据质量控制方法,用以减小干扰影响,提高电导率反演质量。4)根据雷达方程和衰减因子表达式依次提出均匀介质单值匹配法、均匀分段单值匹配法、非均匀单值匹配三种电导率方法,对这三种方法进行了不同噪声条件下的反演效果仿真。基于多元非线性方程组的最优解问题,提出非均匀多值匹配法。通过实测雷达数据的统计分析,发现了实测数据与理论模型之间的不同,构建模型补偿二者的差异,并在此基础上提出非均匀经验模型法,利用实测雷达数据得到衰减因子的距离差分,构建其与表层海水电导率之间的经验模型。5)基于非均匀经验模型的电导率反演方法,进行了两个雷达站的反演结果的时间变化规律、空间分布特征对比;通过相关文献在舟山海域、台湾海峡海域的盐度分布,验证了本文电导率结果统计意义上的正确性;结合本文电导率结果与CTD探测仪的电导率实测数据,比较了二者的变化趋势。初步有效的反映出基于超视距雷达实时反演电导率分布的可行性。


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