高频地波雷达探测原理

风向

On the application of HF ocean radar to the observation of temporal and spatial changes in wind direction

雷前召，王菊霞.利用雷达海面回拨谱获取海风信息[J].郑州轻工业学院学报（自然科学版）[J]，2009（2）：121

风向对雷达回波的一阶谱和二阶谱的对称性产生影响，当风向与雷达发出的电磁波矢量垂直时，回波谱是关于零频对称的；当风向与雷达电磁波矢量方向一致（0°）或者恰好方向相反时（180°），回波谱的不对称性达到最大；当两个不同风向与雷达电磁波矢量的夹角是互补关系时，它们所产生的回波谱之间有对称关系；而当两个不同风向与雷达电磁波矢量在左右两个方向有相同夹角时，它们所产生的回波谱是相同的，这时就产生了测风模糊；当风朝远离雷达方向吹时，多普勒回波中负的一阶峰大于正的一阶峰，而当风朝向雷达吹时，多普勒回波谱中正的一阶峰大于负的一阶峰。

雷达多普勒回波谱的正负Bragg频率对应的两个一阶谱峰是由朝向雷达（θ=0）和背离雷（θ=π）达传播的海浪波分量产生的，所以θ=0，π的来年各个一阶峰强度的比值为Rφ=φ1ωB,φφ1−ωB,φ=S(−2k0)S(2k0)

在这里S(±2k0)成为有效浪高谱，其中包含方向谱因子g（θ+φ），可以表示为

g(θ+φ)=A cos s θ+φ−φω

2

θ——雷达电磁波矢量方向与风向夹角φ——雷达电磁波矢量方向

φω——海面风向

S——扩展因子，表征方向谱关于海面方向的扩展程度A——归一化因子

整理上式可以得到

Rφ=gπ+φ−φωgφ−φω

=tan s(φ−φω

)

φω=φ±θ

式中θ≈φ−φω=2tan−1（R1s），为海面上风向与雷达波束方向的夹角，“±”号表示海风测量的模糊性，即不确定性，这是因为由于当风向方位角为φ+θ和φ−θ时，所得到的多普勒回波谱是相同的。

风向模糊的消除

黄为民，王淑融，吴世才，文必洋，邱昌熔.从高频雷达海面回波多普勒谱提取风场信息[J].武汉大学学报（自然科学版）1999（2）：115

一般来说，解决风向的模糊性问题主要有三种办法：

（1）结合已知的气象上的风向流图，即如果已知气象高压或者低压的中心区位置，根据气压的分布特性即可推测出风向

（2）利用位于不同地点的两个雷达分别从不同的角度上照射同一个海洋区域。

（3）在雷达所观测的海域内的浪高方向谱可以近似看做是均匀分布的前提下，用一部雷达分别照射不同的方向，根据不同方向的海面回波归一化多普勒谱中两个一阶峰强度的不同比值R，用多波束法联立可以解出唯一的海面风向方位角和浪高谱的扩展因子s。

本文采用第三种方法消除风向模糊。通常情况下，扩展因子s会在一定的范围内变化（一般是0 ~10），如下图所示，某波束（方位角为φ1）的回波谱的两个一阶谱峰值的比值为R1，做一个s——φω平面，s取值范围0——10，得到（s，φω）函数曲线；设另一个波束（方位角为φ2）的回波谱的两个一阶谱峰值的比值为R2，同样可以得到另一条曲线，2条曲线的交点就确定了唯一合理的扩展因子s和海面风向角度φω。

一般情况下，只要两条曲线就可以确定唯一的扩展因子s和海面风向角度φω，特殊情况下则需要三条曲线，这种方法又称为多波束法。

浪高

[1]Barrick D E.The ocean wave-height non-directional spectrum from inversion of the HF sea-echo

[2]Doppler spectrum[J].Remote Sens Environ,1977,6:201-227.

Barrick D Extraction of wave parameters from measured Hf radar sea-echo Doppler

spectra[J].Radio Science,1977,12(3):415-424.

两篇文章给出了海面一阶和二阶散射系数方程

σ 2 ωd w ωd ωB ∞−∞d ωd =25πk 06 d 2∞−∞

k 1 S z K 1z ,K 1y S z K 2z ,K 2y =26πk 06h ∗2[S 0(K )+S −(K )]

σ(1)∞

−∞(ωd )dωd =27πk 04[S 0(K )+S −(K )] 两个方程联立可以求出等效浪高

k 02ℎ∗2=2 [σ(2)

(ωd )/ω(ωd /ωB )]dωd ∞−∞ σ(1)∞−∞(ωd )dωd

此方法简便直接的反演出浪高，但误差较大

Randy Howell,John Walsh.Measurement of ocean wave spectra using narrow-beam Hf radar[J].IEEE Journal of Oceanic Engineering,1993,18(3):296-305

一阶bragg 峰谱有多种形式。Barrick 建立的模型认为回波的两个一阶谱峰为冲击形式，而Srivastava 和Walsh 和Howell 等人则认为一阶谱为在bragg 频率上两个连续的尖峰。无论如何，不管是什么情况，我们的兴趣是得到每一个一阶峰里所包含的能量即

σ(1)∞

−∞(ωd )dωd =27πk 04[S 0(K )+S −(K )]