高频地波雷达海态反演算法研究.pdf

谨以此论文献给我的父母和老师！
——常广弘
高频地波雷达海态反演算法研究
摘 要
高频地波雷达，工作于高频( 3～30 MHz)频段，利用垂直极化电磁波沿海面
绕射传播特性，能够探测到视距以外的区域，因此又称其为高频超视距雷达。同
其它的海洋监测设备相比，高频地波雷达具有探测距离远、监测面积大和投资较
少的优点，同时由于高频地波雷达架设在岸边或置于移动平台上，系统工作基本
不受自然环境的影响，因此能够对海洋进行全天候的实时监测，在监测我国专属
经济区、维护国家权益、保护海洋环境等方面具有重要作用。
近几十年来，高频地波雷达的研究取得了长足的发展，例如运动目标航迹的
实时监测、海表面矢量流场和风场的实时测绘等，但海浪谱反演及新体制雷达信
号处理等方面所涉及的部分问题仍然处于研究探索阶段。本文针对高频地波雷达
海态反演方面现存的问题，进行了以下两项研究工作：
1. 岸基高频地波雷达海浪谱反演。在岸基高频地波雷达海浪谱反演问题中，
广泛采用的 Barrick 后向散射公式属于二维第一类非线性 Fredholm 积分方程。此
类积分方程的解在本质上是不适定的，加之高频雷达二阶回波信号信噪比较低，
使得反演海浪谱存在解不稳定的问题。本文提出了一种稳定且低复杂度的反演算
法，此算法首先根据高频雷达一阶回波谱测量海浪方向，并将其引入积分方程求
解过程，减少了求解变量的个数，降低了反演算法的复杂度。为解决反演结果不
稳定的问题，本文使用了 Tikhonov 正则化方法并利用广义交叉验证法确定其正
则化系数。通过在不同测试条件下对反演算法的仿真测试分析，表明此方法具有
运算量小、稳定性好的特点。
2. 舰载高频地波雷达海流测量。根据一阶布拉格峰展宽原理，当舰载高频
地波雷达平台以恒定速度运动时，我们采用多重信号分类算法确定雷达回波信号
的波达方向。在相同方向上，测量信号的速度与平台理论速度的差值是由海流引
起的，因此我们可以得到海流在此方向上的径向速度。当平台向前移动时，雷达
在不同的位置观测海流，由此获得的海洋表面矢量流。仿真结果表明，该算法在
雷达探测的重叠区域性能较好。

关键词：岸基高频地波雷达；舰载高频地波雷达；海浪谱反演；正则化算法；
海表面流测量
I
Study on the Inversion of Ocean Sates by High-Frequency
Surface Wave Radar
Abstract
High-Frequency Surface Wave Radar (HFSWR) works at high frequency band( 3
~ 30 MHz), using vertically polarized electromagnetic wave propagation
characteristics, which is able to detect the area over the horizon, so it has been called
High-Frequency Over The Horizon Radar (OTHR). Compared with other marine
monitoring devices, HFSWR has far detection range, large surveillance area and less
investment. For the radar systems are sited on the shore or installed on a platform, the
system is seldom impacted by the natural environments, so it is capable of supproting
real-time monitoring of the ocean. HFSWR plays an important role in the monitoring
of China's Exclusive Economic Zone (