海浪色散關係的探測裝置及探測方法
2023-12-08 07:53:41
專利名稱：海浪色散關係的探測裝置及探測方法
技術領域：
本發明屬於海洋遙感技術領域，具體地講是一種海浪色散關係的探 測裝置及探測方法。
背景技術：
最近，諸如海嗡、反常波等非線性海洋極端事件頻發，非線性海面 的研究受到不同領域的學者的關注。對極端海洋事件進行遙感監測與識 別，具有重大科學意義和廣泛應用價值。
目前，世界上有多種傳感器對海洋進行監測，例如，散射計專門用
來進行海面風矢量的遙感監測；輻射計專門用於海面表面溫度(SST)的 測量，觀測時間窗口受到雲層的影響；合成孔徑雷達(SAR)能夠全天候 大範圍的對海面進行監測，人們根據SAR圖像，進行風矢量、海浪譜、 近海海底地形、洋流及其波前等海面參數及海洋氣象現象研究；高度計 能為人類提供準確的海浪有效波高等海浪參數。目前的星載和機載海洋 探測計，是以線性海浪理論為基礎的，因此所能探測到的海洋現象及所 能反演的海面參數主要是線性的，對非線性海面參數的監測能力有限。
為了能夠監測非線性海洋事件，發展非線性海面監測方法及傳 感器是關4建。然而，諸如海嘯和反常波這樣的強非線性海洋事件並 不常見，如何從廣闊的線性海面中發現非線性海洋現象區域是重點， 目前沒有該類儀器能滿足這個要求。
發明內容
本發明的目的在於，提出一種能夠探測海面相應分辨單元的海浪色 散關係的探測裝置及探測方法，為監測海面非線性事件提供一種手段。為了實現上述目的，本發明的探測裝置以現有探測計的高度計為基 礎，在沿飛行軌跡方向一定距離處增加一個天線系統，用來測量另一時 刻同 一空間點的高度值，獲取海面對時間的一階導數。
本發明基於所述探測裝置的探測方法是將海浪看成變幅、變頻、
變波長的海浪，如果海面發生非線性事件，海浪變成非線性長波，對應
於不同時間和空間，非線性長波的幅度、頻率等參數隨時空變化而改變；，
以可以將海面離散化為非線性長波插值為基礎，對應於探測裝置的每個
時間點的每個空間點(即分辨單元)，其海面高度值可以用一個延拓的固 定頻率和波長的正弦波在該時空點的值(筒稱插值)替代。
為了滿足在每一點的插值精度，本發明中的插值條件必須滿足
I. 在該點，正弦波與非線性長波兩者的函數值相等。
II. 它們的空間和時間一階導數相等，即保證該點處的變化率相等。 m.它們的空間和時間二階導數相等。
本發明色散關係監測原理可以概括為
首先，探測裝置測出某時刻各分辨單元的波高值，根據相鄰三個分 辨單元的波高值，用其插值求出 一 階和二階空間導數。
其次，探測裝置的第二個天線系統收發信號與第一個天線系統發射 信號的時延為
formula see original document page 4
其中丄為天線之間的距離，v為探測裝置的飛行速度。利用兩個天線 對同 一分辨單元的探測值進行差商，求出 一階時間導數。
最後根據式(l)、 (2)求出各參數值，並求出波數和角頻率的關係 "2"，然後比較與重力加速度的關係，formula see original document page 5 (2)
從而探測到非線性海洋現象區域的海面變化情況。
本發明在現有的以線性海浪理論為基礎的海洋監測領域，提出了一 種非線性海洋現象區域的海面探測裝置及探測方法，從而增加了海洋 監測手段，為預測諸如海。肅、反常波等非線性海洋極端事件提供幫助。
圖1為本發明探測裝置的探測示意圖。
圖2為具體的反常波非線性海面波高值隨空間的變化圖。 圖3為本發明的方法探測出的色散關係隨空間的變化圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細描述。
本發明海面色散關係探測裝置
根據探測裝置探測原理，探測海面色散關係需要探測出兩類數據 一是同 一時刻的相鄰三個分辨單元的海面高度值，二是同 一分辨單元的 相鄰兩個時刻的海面高度值。
對於第一類數據的獲取，目前的高度計已經能夠達到獲取數據的精 度要求。因此，本發明中的雷達系統是以高度計為物質基礎的。
對於第二類數據的獲取，目前沒有相應的探測器能獲得該類數據， 因此，本發明需要對雷達系統進行改進，主要表現在沿跡方向增加一副 雷達天線，為了提高工作效率，減輕空中載體的載荷，這兩幅天線收發的信號採用同一信號處理系統進行串行處理。
本發明的海面色散關係探測方法是
1、 在具體每一點處海面高度值，可以用一個通過該點並滿足與反常 波的 一 階和二階導數相等的正弦波進行插值。
為了在每一點都能準確利用相應的正弦波對該點進行插值，插值必 須滿足
I.在該點，正弦波與非線性長波兩者的函數值相等。
n.它們的空間和時間一階導數相等，即保證該點處的變化率相
in.它們的空間和時間二階導數相等。
2、 插值的正弦波對時間求一階導數，對空間求一階、
對於實際海面，其表徵函數為
在(;c,，r,)點，用於插值的延拓正弦波及其一階時間導數
數、二階空間導數分別為
7 =爿(x,，/,)sin(/:(x,.,。)x — ^y(x,，/,)f + ，,,.))
",二 一爿(x,，/^X;c,.,/,)cos(A:(X,。):x:-a)(x,，G)Z + (9(x/,//)) /;、. = J(義,，勺)&(;c,，。)cos(A:(x,，。)x-"(W^ + eiX,/,))
從式(4 ) - ( 7 )求出波數和頻率(式(1 )和式(2 ))。
利用色散關係探測裝置探測出海面關係，由式(1)和式(2)看出， 只需測量出(x,.,。點處的海面高度值及其各類導數值7、 77,、 7,及L。
3、 色散關係探測裝置輸入參數測量方法
目前，在(x,，/,)點處，海面高度值的測量用高度計測量出精度較高的
二階導數，
(3)
、 一階空間導
(4)
(5)
(6)
(7)值/",「,)。
對於空間一階、二階導數，通過相鄰兩個分辨單元和三個分辨單元
的高度值進行差分獲取，即
formula see original document page 7 (9)
對於時間的 一 階導數，需要探測出兩個相鄰的時間點的高度值進行 差商，即
formula see original document page 7 (10)
目前的高度裝置無法測出同一分辨單元的相鄰兩個時刻的海面高度
值，為了解決這個困難，本發明提出在高度計系統的基礎上進行改進，
使之能夠測量不同時間的同一分辨單元的海面高度值。具體做法是在
沿跡方向上，添加一副天線，探測器的第二個天線系統收發信號與第一
個天線系統發射信號的時延為
formula see original document page 7 (11)
其中丄為天線之間的距離，、'為探測計的飛行速度。利用兩個天線對 同一分辨單元的探測值進行差商(式(10)),求出一階時間導數，從而
探測到非線性海洋現象區域的海面變化情況。
本說明書中未作詳細描述的內容屬於本領域專業技術人員公知的
現有技術。
權利要求
1、一種海浪色散關係的探測裝置，它以現有探測計的高度計為基礎，在沿飛行軌跡方向一定距離處，增加一個天線系統用來測量另一時刻同一空間點的高度值。
2、如權利要求1所述的海浪色散關係的探測裝置，其探測方法是 第一步探測裝置測出某時刻各空間點的波高值，根據相鄰三個空間點的波高值，用 一個延拓的固定頻率和波長的正弦波在該時空點的值求出 一階和二階空間導數；第二步探測裝置的第二個天線系統收發信號與第一個天線系統發射信號的時延為其中丄為天線之間的距離，v為探測裝置的飛行速度，利用兩個天線 對同 一空間點的探測值進行差商，求出 一階時間導數； 第三步根據如下關係求出各參數值，並求出波數和角頻率的關係w2 ",然後比較與重力加速度的關係， 從而探測到非線性海洋現象區域的海面變化情況。
全文摘要
本發明涉及一種海浪色散關係的探測裝置及探測方法，探測裝置以現有探測計的高度計為基礎，在沿飛行軌跡方向一定距離處，增加一個天線系統用來測量另一時刻同一空間點的高度值獲取海面對時間的一階導數，從而探測到非線性海洋現象區域的海面變化情況。本發明在現有的以線性海浪理論為基礎的海洋監測領域，提出了一種非線性海洋現象區域的海面探測裝置及探測方法，從而增加了海洋監測手段，為預測諸如海嘯、反常波等非線性海洋極端事件提供幫助。
文檔編號G01C13/00GK101419286SQ200810236640
公開日2009年4月29日 申請日期2008年12月1日 優先權日2008年12月1日
發明者曠海蘭, 濤 謝, 偉 陳 申請人:武漢理工大學