超高頻岸基雷達(dá)觀測(cè)海洋海流

超高頻岸基雷達(dá)觀測(cè)海洋海流

海岸警衛(wèi)隊(duì)的流動(dòng)通常分布在海岸30.76米的位置，流速通?？梢赃_(dá)到8公里。一個(gè)人的海上活動(dòng)是人類無(wú)法避免的一個(gè)重要因素。獲取離岸流數(shù)據(jù)的傳統(tǒng)方法,是在近岸放置浮標(biāo)或海流計(jì).MacMahan等只能得到特定時(shí)間內(nèi)局部點(diǎn)線上的數(shù)據(jù),無(wú)法全面反映出待測(cè)區(qū)域離岸流的真實(shí)狀況,與實(shí)用的要求還有很大距離.Scripps海洋研究所、Vagle等分別利用聲納對(duì)離岸流的速度進(jìn)行了測(cè)量,但都未對(duì)實(shí)時(shí)浪高進(jìn)行測(cè)量,無(wú)法分析離岸流對(duì)波浪浪高造成的影響.國(guó)內(nèi)有學(xué)者對(duì)離岸流現(xiàn)象進(jìn)行了深入的研究,但屬于離岸流的理論模擬研究領(lǐng)域,在實(shí)時(shí)觀測(cè)方面仍為空白.天然海灘地形復(fù)雜,斜向入射的波浪進(jìn)入近岸區(qū)會(huì)發(fā)生駐波變化,不可能用解析方法來(lái)描述其流動(dòng)形態(tài).要較準(zhǔn)確地觀測(cè)天然海灘近岸流場(chǎng),必須對(duì)多點(diǎn)波浪特征做準(zhǔn)確計(jì)量.本文將武漢大學(xué)電波實(shí)驗(yàn)室研制的超高頻岸基雷達(dá)用于近海離岸流的觀測(cè),通過(guò)檢測(cè)離岸流運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的多普勒頻偏,獲取離岸流運(yùn)動(dòng)的頻率特性,從而通過(guò)計(jì)算出離岸流的速度、浪高、位置,進(jìn)而對(duì)近岸浪破碎產(chǎn)生的離岸流進(jìn)行評(píng)估.1超高頻遙感探測(cè)數(shù)據(jù)超高頻岸基雷達(dá)的工作頻率介于高頻雷達(dá)與微波雷達(dá)頻率之間,距離分辨率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于高頻雷達(dá),而微波雷達(dá)主要探測(cè)的是毛細(xì)波.超高頻雷達(dá)探測(cè)的海浪主要是0.4～0.6m波段的重力波,該頻段特別適合于離岸流的探測(cè).文獻(xiàn)在多種工作條件下完成了海面回波的遙感試驗(yàn),取得了比較典型的超高頻遙感數(shù)據(jù).本實(shí)驗(yàn)用雷達(dá)工作頻率范圍為300～330MHz,工作帶寬為10MHz,發(fā)射的起始頻率為305MHz,采樣頻率為60kHz,距離分辨率為30m.雷達(dá)采用線性調(diào)頻連續(xù)波體制,發(fā)射天線選用八木天線,垂直極化,接收天線為單極子天線,垂直極化發(fā)射機(jī)發(fā)射功率大于1W.2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)2.1海表的離岸流回用實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)選擇在浙江省舟山市岱山鎮(zhèn)東沙海岸,為一塊較平坦的沙灘,沙灘坡度為5°,海浪不會(huì)一直往岸上涌,涌到海灘上的破碎波必然以離岸流的方式回流到海洋中,很容易觀測(cè)到離岸流.圖1給出的是東沙實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的Google衛(wèi)星圖片,從地圖的水色分析來(lái)看,普遍存在這樣的回流.于2007年9月進(jìn)行了觀測(cè)近岸流的實(shí)驗(yàn),選取的地點(diǎn)如圖1所示.2.2目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)運(yùn)動(dòng)的徑向速度雷達(dá)探測(cè)淺水波時(shí),探測(cè)的是水質(zhì)點(diǎn)的速度,即流速;而雷達(dá)探測(cè)深水波時(shí),實(shí)質(zhì)是探測(cè)整列波的速度,表現(xiàn)為流速與相速度的疊加.對(duì)于超高頻岸基雷達(dá)而言,探測(cè)到的離岸流實(shí)質(zhì)為淺水波,其探測(cè)方式與硬目標(biāo)的探測(cè)方式相同.當(dāng)目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)有徑向運(yùn)動(dòng)時(shí),就會(huì)產(chǎn)生多普勒頻偏.離岸流是背離雷達(dá)運(yùn)動(dòng)的,將產(chǎn)生頻偏,可由此監(jiān)測(cè)離岸流的存在.這個(gè)頻偏與目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)運(yùn)動(dòng)的徑向速度的關(guān)系為fd=2vrf0/c,(1)fd=2vrf0/c,(1)式中:fd為多普勒頻率;vr為目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)的徑向速度;f0為雷達(dá)發(fā)射頻率;c為光速.通過(guò)計(jì)算可以得到目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度,即為離岸流的流速.2.3底噪聲引起的檢測(cè)方法超高頻岸基雷達(dá)探測(cè)得到回波數(shù)據(jù)中包含大量的二階譜信息,而Heron等可以從二階譜信息中反演實(shí)時(shí)浪高,其中均方浪高h(yuǎn)2?=4ωBk20∫∞?∞(σ(1)ωD?N)dωD?[∫?1?∞[(σ(2)ωBη?N)/w(η)]dη+∫∞1[(σ(2)ωBη?N)/w(η)]dη],(2)h*2=4ωBk02∫-∞∞(σ(1)ωD-Ν)dωD?[∫-∞-1[(σ(2)ωBη-Ν)/w(η)]dη+∫1∞[(σ(2)ωBη-Ν)/w(η)]dη],(2)式中:N是基底噪聲電平;ωD是多普勒角頻率;ωB是Bragg角頻率;dwD為多普勒頻偏;σ(1)和σ(2)分別是一階和二階回波多普勒譜;k0是電波波數(shù);η=ωD/ωB是歸一化多普勒譜頻率;w(η)是為消除耦合系數(shù)而引入的權(quán)系數(shù),它只依賴于多普勒頻率,而與雷達(dá)頻率、雷達(dá)波束與風(fēng)向夾角、浪高及其他參數(shù)無(wú)關(guān).有效浪高h(yuǎn)s=4ξh??(3)hs=4ξh*?(3)式中ξ是經(jīng)驗(yàn)修正因子,取為0.551.通過(guò)式(2)可計(jì)算每一時(shí)刻、不同距離元上海浪的均方浪高,再根據(jù)式(3)計(jì)算對(duì)應(yīng)的有效浪高,繼而可以通過(guò)分析浪高變化對(duì)離岸流的流勢(shì)進(jìn)行判斷.3離岸流速度特征超高頻岸基雷達(dá)每15s繪制一場(chǎng)距離多普勒?qǐng)D.監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)于2007年9月10日上午10點(diǎn)開(kāi)始到20日上午7點(diǎn)結(jié)束,共連續(xù)觀測(cè)了233h;從2007年9月12日8:18:38到9:23:14持續(xù)觀測(cè)離岸流的信息.圖2和圖3是9月12日9:22:00雷達(dá)探測(cè)的距離多普勒?qǐng)D和不同距離元回波譜對(duì)比.圖中:S為與雷達(dá)的距離;I為回波能量.從圖2可以看出,在距離雷達(dá)S=100m左右處,正多普勒方向能量遠(yuǎn)強(qiáng)于背離雷達(dá)方向(負(fù)多普勒方向),這是因?yàn)榻短幒Ａ饕猿蚶走_(dá)的海流為主,正多普勒能量要強(qiáng)于負(fù)多普勒,而在距離300～500m之間,持續(xù)出現(xiàn)了能量很強(qiáng)背離雷達(dá)的信號(hào).由圖3可以看到:d<0時(shí)第13個(gè)距離元離岸流有很強(qiáng)的能量,圖3(a)中箭頭所指即為離岸流;第16個(gè)距離元上看不到明顯的背離雷達(dá)的能量.利用式(1),可計(jì)算出此刻離岸流的速度vr=1.3493m/s.圖4和圖5為監(jiān)測(cè)站點(diǎn)9月12日9:23:14雷達(dá)探測(cè)的距離多普勒?qǐng)D和不同距離元回波譜對(duì)比,在距離雷達(dá)200～400m之間持續(xù)出現(xiàn)了很強(qiáng)的背離雷達(dá)信號(hào).9:23:14的數(shù)據(jù)不同于9:22:00的數(shù)據(jù),其背離雷達(dá)的能量較為離散.由圖5可見(jiàn),第11個(gè)距離元在d<0方向有凸起的尖峰,但有2個(gè)分叉,這是由于海洋表面存在流速,造成負(fù)的一階峰跟離岸流疊加在一起.離岸流攜帶了很強(qiáng)的能量,這種情況下應(yīng)取較高的峰為離岸流.利用式(1)可得vr=1.2743m/s.利用式(2)分析不同距離元離岸流流速對(duì)浪高的影響.表1和2分別列出了不同距離元上離岸流的流速及其對(duì)應(yīng)的浪高.可見(jiàn),流速基本穩(wěn)定在1.0～1.5m/s左右,浪高在0.78～1.70m左右波動(dòng).第11個(gè)距離元到第12個(gè)距離元上的離岸流屬于離岸流根,第13個(gè)距離元屬于離岸流的流頸,13個(gè)距離元后流速持續(xù)穩(wěn)定,為流頭區(qū)域.離岸流的流根和流頸均隱藏于海中,傳統(tǒng)方法很難檢測(cè),通過(guò)對(duì)不同距離元上離岸流流速的計(jì)算,則可以很好地辨認(rèn)離岸流流根和流頸.由上述分析可知,利用超高頻岸基雷達(dá)監(jiān)測(cè)離岸流具有以下優(yōu)點(diǎn):a.真實(shí)反映了實(shí)際海域的狀況,避免了海流計(jì)監(jiān)測(cè)