專利名稱：海面反常波檢測方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于海洋遙感技術領域，特別是一種海面反常波檢測方法
及裝置。
背景技術：
在過去的二十幾年里，世界上至少有200艘超過200米長的超級 輪船在大海航行中失蹤。毋庸置疑，導致這些事故的罪魁禍首絕大部 分是"反常波"(Draper首先提出反常波的概念)，這些反常波要么具 有非常高的波高，要么其波形反常。在實際研究與應用中一般研究記 錄長度有限的波，如果某波的波高^ (波谷到波峰的距離)大于2.2 倍有效波高，則稱其為反常波。反常波的現場測量比較困難，以前主 要靠石油平臺進行波高監測，但是反常波對海上石油鉆井平臺等建筑 物造成很大的危害，為了保障海上航行和海上平臺的安全，需要檢測 海面反常波，因而急需一種檢測海面反常波的技術。
本發明參考的技術文獻有以下5篇 M.S. Longuet-Higgins and R.W. Stewart: 'Changes in the form of short gravity waves on long waves and tidal currents', J. Fluid Mech. 1960, 8, 565-583 (1960). S. Lehner and Heinz Giinther: 'Extreme wave statistics from radar data sets', IGARSS 04，， 2004, 3, pp.1880 — 1883.J.Schulz-Stellenfleth， T. Konig and S. Lehner: 'An empirical approach for the retrieval of integral ocean wave parameters from synthetic aperture radar data', Journal of Geophysical Research, 2007,
4112， C03019. Draper L: '"Freak" ocean waves', Mar. Obs.， 1965, 35, pp. 193-195. A.R.Osborne, M. Onorato, M. Serio, and S. Bertone: 'The nonlinear dynamics of rogue waves and holes in deep water gravity wave trains', Physical Letter A, 2000， 275, pp.386-393.
發明內容
本發明的目的是為了克服上述背景技術的不足，提供一種海面 反常波檢測方法及裝置。
本發明提供的海面反常波檢測方法，包括下列步驟構造待檢測 波與Bragg短波并存的環境海面模型；求解Bragg短波受待檢測波非 線性調制作用的解；計算分辨單元待檢測波與環境海面回波的雷達散 射截面；將分辨單元待;險測波與環境海面回波的雷達散射截面進行比 較，若判定待檢測波與環境海面回波的雷達散射截面之比小于閾值， 則確定待檢測波為反常波。
在上述技術方案中，還可以包括下列步驟確定待檢測波為反常 波后，通過反常波檢測因子判定待檢測波峰或波谷是否屬于反常波。
在上述技術方案中，所述反常波檢測因子為同 一周期內反常波的 最大雷達散射截面與最小雷達散射截面之比。
在上述技術方案中，反常波的雷達散射截面的單位換算成分貝 dB后，所述反常波檢測因子為同一周期內反常波的最大雷達散射截 面與最小雷達散射截面之差。
在上述技術方案中，構造所述環境海面模型是在一維反常波理論 模型的基礎上利用雙尺度海浪原理進行模型構造。
在上述技術方案中，將待檢測波進行正弦波分解插值后根據長短波非線性作用原理進行求解。
在上述技術方案中，計算所述雷達散射截面是在雙尺度多極化后向雷達散射模型的基礎上進行計算。
在上述技術方案中，構造所述環境海面模型時采用與待檢測波相關參數相同的正弦波進行模擬。
在上述技術方案中，所述待檢測波相關參數包括波數、波幅、雷達頻率、海水相對介電常數。
結合上述海面反常波檢測方法，本發明還提供一種海面反常波檢
測裝置，包括模型構造單元，用于構造待檢測波與Bragg短波并存的環境海面模型；求解單元，用于求解Bragg短波受待檢測波非線性調制作用的解；雷達散射截面計算單元，用于計算分辨單元待檢測波與環境海面回波的雷達散射截面；比較判定單元，用于將分辨單元待檢測波與環境海面回波的雷達散射截面進行比較，若判定待檢測波與環境海面回波的雷達散射截面之比小于閾值，則確定待檢測波為反常波。
本發明以高分辨雷達為探測器，在中等入射角入射時，根據分辨單元內的反常波與背景海面的后向雷達散射回波特性的顯著差異而檢測出海面的反常波，從而降低海上航行和海上平臺的安全隱患。
圖1為本發明實施例中海面反常波檢測方法的步驟流程圖；圖2為本發明實施例中海面反常波檢測裝置的結構示意圖；圖3為本發明實施例中反常波及背景海面隨空間變化的曲線圖；圖4為本發明實施例中反常波及背景海面后向雷達散射截面隨空間變化的曲線圖。
具體實施例方式
為了檢測海面反常波，進而降低海上航行和海上平臺的安全隱患，本發明實施例提供一種海面反常波;險測方法，參見圖l所示，包
括下列步驟
步驟101:在一維反常波理論模型的基礎上利用雙尺度海浪原理構造待檢測波與Bragg短波并存的環境海面模型，構造環境海面模型時采用與待檢測波相關參數相同的正弦波進行模擬，待檢測波相關參數包括波數、波幅、雷達頻率、海水相對介電常數等。
步驟102:將待^^測波進行正弦波分解插值后，根據M.S.Longuet-Higgins和R.W. Stewart的長短波非線性作用原理，求解Bragg短波受待一企測波非線性調制作用的解。
步驟103:在雙尺度多極化后向雷達散射模型的基礎上，計算分辨單元待纟t測波與環境海面回波的多極化后向雷達散射截面；本實施例以高分辨雷達為探測器，在中等入射角入射時，利用海面的高分辨微波雷達后向散射截面進行分析，直接對待4全測波進行探測和識別。此外，還可以利用岸基雷達、船載雷達等對待檢測波進行探測和識別。
步驟104:將分辨單元待檢測波與環境海面回波的雷達散射截面進行比較，若判定待檢測波與環境海面回波的雷達散射截面之比小于閾值，則確定待檢測波為反常波。確定待檢測波為反常波后，通過反常波檢測因子判定待檢測波峰或波谷是否屬于反常波，該反常波檢測因子為同一周期內反常波的最大雷達散射截面與最小雷達散射截面之比。當反常波的雷達散射截面的單位換算成分貝dB后，反常波檢測因子為同一周期內反常波的最大雷達散射截面與最小雷達散射截面之差。
結合上述海面反常波檢測方法，本發明實施例還提供一種海面反常波檢測裝置，參見圖2所示，包括
模型構造單元，用于在一維反常波理論模型的基礎上利用雙尺度海浪原理構造待檢測波與Bragg短波并存的環境海面模型；采用與待檢測波相關參數相同的正弦波進行模擬，待4企測波相關參數包括波數、波幅、雷達頻率、海水相對介電常數等；
求解單元，用于將待檢測波進行正弦波分解插值后，根據M.S.Longuet-Higgins和R.W. Stewart的長短波非線性作用原理，求解Bragg短波受待4企測波非線性調制作用的解；
雷達散射截面計算單元，用于在雙尺度多極化后向雷達散射模型的基礎上計算分辨單元待;險測波與環境海面回波的雷達散射截面；
比較判定單元，用于將分辨單元待;險測波與環境海面回波的雷達散射截面進行比較，若判定待檢測波與環境海面回波的雷達散射截面之比小于閾值，則確定待4企測波為反常波。
下面結合具體公式詳細描述本實施例的方法。
步驟101中，在一維反常波理論模型的基礎上孤立子反常波波幅
為
cos[V^oX] sec / [V^"2r] + /V^ tanh[2a271]
(i)
乂,(x，一-廠 廠 廠
由此推導出海面波高的變化公式為
"=s(x力/c(x，0 (2)
其中y/。 =—+ 2a271叫=^/i^"
S(a-， = 2 tanh(2a2r) cos(^/0) + V^" cos(V^aZ) sec /z(V^<32r) sin(y。 ) ( 3 )C(x,/) = cos(V^Z)sec/z(V^2;r) ( 4 )
步驟102中，Bragg短波的波數與入射電磁波波數滿足如下關&(e) = 2^sin6> (5)Bragg短波的波高為& (x, = afc (0) sin(^ (6)) ( 6 )
其中^ (0 = 、 (。x - % (昨+ A (0 % (。=批(。
0.7V
Bragg短波受待4全測波調制的關系如下
(x, z1,6*) = A:w， (1 + J A;, sin) ( 7 )
",,(x, f ， (9) = "AA (1 +I A,, sin) ( 8 )
步驟103中，在多極化后向雷達電磁散射模型中雷達后向散射截面7^式為
r
(9)
2;zi
(。 '"=0
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cos《-^/s,. - sin2《
^ =-/ ， 7
cos《— sin《
八 sin 6 +cos 6 ^cos《=^——f=- 7 "
A - sin2《-^ - cos《A — sin2《+ ^ - cos《
步驟104中，若判定待檢測波與環境海面回波的雷達散射截面之比小于閾值，則確定待檢測波為反常波。確定待纟企測波為反常波后，輸入反常波波數、波幅、雷達頻率、海水相對介電常數等參數，根據反常波模型數值模擬出的反常波及其背景海面隨空間分布如圖3所示，利用上文建立的多極化后向雷達電磁散射模型進行計算得到的反
9常波及其背景海面的雷達散射截面隨空間的分布如圖4所示，比較圖
3和圖4易發現在相同分辨單元，反常波的后向雷達散射截面要比背景海面回波的后向雷達散射截面小很多，比較它們的雷達截面差值，最小差值位于反常波海面的波峰和波谷處，最大差值位于平均海平面處(即海面高度為0處)。因此，通過比較反常波的后向雷達散射截面的最大值和最小值(差)，還可以檢測該波峰或波谷是否屬于反常波的范圍。
脫離本發明的精神和范圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬于本發明權利要求及其等同技術的范圍之內，則本發明也意圖包含這些
改動和變型在內。
10
權利要求
1、海面反常波檢測方法，其特征在于，包括下列步驟構造待檢測波與Bragg短波并存的環境海面模型；求解Bragg短波受待檢測波非線性調制作用的解；計算分辨單元待檢測波與環境海面回波的雷達散射截面；將分辨單元待檢測波與環境海面回波的雷達散射截面進行比較，若判定待檢測波與環境海面回波的雷達散射截面之比小于閾值，則確定待檢測波為反常波。
2、 如權利要求1所述的4僉測方法，其特征在于，還包括下列步 驟確定待檢測波為反常波后，通過反常波檢測因子判定待檢測波峰 或波谷是否屬于反常波。
3、 如權利要求2所述的檢測方法，其特征在于，所述反常波檢 測因子為同一周期內反常波的最大雷達散射截面與最小雷達散射截 面之比。
4、 如權利要求2所述的檢測方法，其特征在于，反常波的雷達 散射截面的單位換算成分貝dB后，所述反常波檢測因子為同一周期 內反常波的最大雷達散射截面與最小雷達散射截面之差。
5、 如權利要求1所述的檢測方法，其特征在于，構造所述環境 海面模型是在一維反常波理論模型的基礎上利用雙尺度海浪原理進 行模型構造。
6、 如權利要求1所述的檢測方法，其特征在于，將待檢測波進 行正弦波分解插值后根據長短波非線性作用原理進行求解。
7、 如權利要求1所述的檢測方法，其特征在于，計算所述雷達 散射截面是在雙尺度多極化后向雷達散射模型的基礎上進行計算。
8、 如權利要求1所述的檢測方法，其特征在于，構造所述環境海面模型時采用與待"險測波相關參數相同的正弦波進行;漠擬。
9、 如權利要求8所述的檢測方法，其特征在于，所述待檢測波 相關參數包括波數、波幅、雷達頻率、海水相對介電常數。
10、 海面反常波檢測裝置，其特征在于，包括 模型構造單元，用于構造待一企測波與Bragg短波并存的環境海面模型；求解單元，用于求解Bragg短波受待4企測波非線性調制作用的雷達散射截面計算單元，用于計算分辨單元待檢測波與環境海面 回波的雷達散射截面；比較判定單元，用于將同一分辨單元待;險測波與環境海面回波的 雷達散射截面進行比較，若判定待檢測波與環境海面回波的雷達散射 截面之比小于閾值，則確定待檢測波為反常波。
全文摘要
本發明公開了一種海面反常波檢測方法及裝置，該方法包括下列步驟構造待檢測波與Bragg短波并存的環境海面模型；求解Bragg短波受待檢測波非線性調制作用的解；計算分辨單元待檢測波與環境海面回波的雷達散射截面；將分辨單元待檢測波與環境海面回波的雷達散射截面進行比較，若判定待檢測波與環境海面回波的雷達散射截面之比小于閾值，則確定待檢測波為反常波。應用本發明提供的方法及裝置能夠檢測到海面反常波，降低海上航行和海上平臺的安全隱患。
文檔編號G01S7/48GK101493522SQ20091006089
公開日2009年7月29日 申請日期2009年2月27日 優先權日2009年2月27日
發明者曠海蘭, 濤 謝, 偉 陳 申請人:武漢理工大學