阵列式高频地波雷达矢量流长周期适用性比测试验数据分析

徐全军，魏国妹，商少平，4，贺志刚，4*，戴　昊，雷发美，刘　轲

（1.中国人民解放军海洋环境专项办公室，北京 100081；2.厦门大学 水声通信与海洋信息技术教育部重点实验室，福建　厦门 361005；3.厦门大学 海洋观测技术研发中心，福建　厦门 361005；4.厦门大学 海洋与地球学院，福建　厦门　361102）

阵列式高频地波雷达矢量流长周期适用性比测试验数据分析

徐全军1，魏国妹2，3，商少平2，3，4，贺志刚2，3，4*，戴昊2，3，雷发美2，3，刘轲2，3

（1.中国人民解放军海洋环境专项办公室，北京 100081；2.厦门大学 水声通信与海洋信息技术教育部重点实验室，福建厦门 361005；3.厦门大学 海洋观测技术研发中心，福建厦门 361005；4.厦门大学 海洋与地球学院，福建厦门361102）

基于高频地波雷达长周期适用性比测试验数据，主要从以下3个方面系统分析国产阵列式高频地波雷达矢量流控测效果：（1）时间有效采样率和覆盖率的空间分布；（2）与反演的流速匹配的现场观测深度；（3）不同区域的探测精度。长周期的海流验证表明，雷达海流可以有效地反映有效探测区内表层海流及其时空变化，高精度区流速流向的均方根误差（RMS）分别为7.5～19.3 cm/s和15.5°～33.7°，尤其是高精度区核心区域的RMS仅为7.5～10.1 cm/s和15.5°～28.5°。边缘区流速流向的RMS为16.1～25.8 cm/s和39.5°～40.7°，与国内外达到业务化运行要求的同类产品实际观测精度相当。

高频地波雷达；长周期试验；海洋表层流；海流探测深度

高频地波雷达，又称高频海面波雷达，工作于高频（3～30 MHz）频段，利用垂直极化高频电磁波沿海面（地表面）绕射传播特性，能够探测到视距以外的目标。1955年，Crombie用Bragg谐振散射解释了高频无线电波与海洋表面的相互作用［1］。1972年，Barrick进一步对高频电磁波与海面作用产生的一阶散射和二阶散射作了理论上的定量解释，为高频地波雷达探测海洋表面流、海面风场和浪场等海洋环境信息建立了理论基础［2］。此后，高频地波雷达在大面积、全天候探测海洋表面动力学要素方面得到广泛的应用和发展。

为了验证高频地波雷达系统在海态监测方面的实用性能，国内外不少学者开展了海态要素的比测试验［3］，比测试验的方法主要有两种：一是选择一型较为成熟的高频地波雷达作为参考雷达，将参试雷达和参考雷达的海态结果做对比［4-5］；二是在海上布放定点或移动式观测设备，将参试雷达的观测结果和海上设备的观测结果做对比［6-10］。由于海上布点观测方式的多样化，布设站点的选择更为灵活，海上观测仪器的精度更高等，第二种比测方式目前使用得更为普遍。

虽然国内外已有不少的学者对各型高频地波雷达海流探测的实用性能进行研究［11-14］，但对比验证的时间偏短，海上不同雷达探测区同步观测的对比站点偏少，且专门针对雷达海流最佳探测深度的报道较少［15］。为了更好地了解雷达系统探测海流的综合性能，于2013年1月到3月在台湾海峡西南部海域，组织了为期45 d的高频地波雷达适用性比测试验。本文主要从以下3个方面对雷达测流结果进行系统地分析：（1）雷达海流探测的时间有效采样率和覆盖率的空间分布；（2）雷达反演矢量流的最佳深度；（3）不同区域雷达矢量流探测的精度。

1　雷达系统及试验方案

参试的是国产阵列式高频地波雷达，工作频率约7.8 MHz（相应波长为38.5 m），有效探测距离10～200 km，波束覆盖扇角120°，径向角度和距离分辨率分别为1.5°和5 km。

试验海区位于台湾海峡西南部海域，阵列式高频地波雷达部署在福建龙海、东山两地（图中简写为LOHI、DOSA），海上浮标按雷达探测的高精度区和边缘区进行布设（图1），蓝色和黄色分别为雷达测流高精度区和最大探测区域，A，B，D和E站位于高精度区（A和D站位于核心区域），其中，B，E站浮标工作一段时间后移到B1，E1站对边缘区进行观测。雷达合成矢量流的高精度区为两雷达站径向流高精度区重叠部分，径向流的高精度区范围为距地波雷达站10%～60%最大探测距离、地波雷达站探测方位中心线±45°内。

目前普遍采用声学多普勒流速剖面仪（简称ADCP）进行海流的观测，ADCP浅海长期测流方式基本上有3种：坐底式观测、悬浮式观测和浮标观测［16］。综合考虑观测方式的安全性和观测结果的可靠性，本试验的海上定点观测均采用3 m浮标悬挂ADCP方式测流。Stewart和Joy［17］从理论上推导出雷达观测海流的理论积分深度为（λ为雷达电磁波的波长），为了更好地满足雷达海流检验的需要，选择挪威Nortek工作频率为1 000 kHz的ADCP测流，层厚设为0.5 m，共20层，第一层深度为1.5 m，采样间隔5 min。

图1　高频地波雷达和浮标布放站位

2　分析方法

2.1雷达系统运行情况

（1）雷达系统时间有效采样率。时间有效采样率可用于说明雷达工作的连续性，其定义如下：时间有效采样率=统计期间实际采样场次/统计期间理论采样场次。

雷达连续工作是其稳定运行的重要保证，实际得到的采样场次越接近于理论采样场次，则说明雷达的连续工作能力越强。

（2）雷达系统采样率的空间分布。引入雷达元采样率（或合成格点采样率）的概念，用以评估雷达的观测能力，确定雷达的有效观测距离。由于矢量流是龙海和东山两个单站探测的径向流合成得到，其采样率为中心站合成格点的采样率，定义如下：中心站合成格点（或雷达元）采样率=统计期间网格点（或雷达元）样本数/统计期间实际采样场次。

探测距离的定义如下：单站的探测距离=雷达元到雷达站的距离。

2.2雷达和海上定点观测数据的对比方法

浮标ADCP观测的海流数据采样频率为5 min，数据时间点为整点起逢尾数为0 min，5 min的时刻，如0:00，0:05，0:10等。高频地波雷达的海流观测数据采样频率为10 min，数据时间点为整点起尾数逢0 min的时刻，如0:00，0:10，0:20等。为了保证浮标和雷达的采样时间段尽量重合，将雷达每组数据观测时间段内的2组浮标海流数据做矢量平均，然后与雷达测流数据做对比分析和误差统计等。

为分析高频地波雷达海流数据精度，以浮标海流数据为基准，计算同时段雷达观测结果的平均误差（θ）、平均绝对误差（Δm）、均方根误差（RMS）、相关系数和复相关系数。由于合成海流是一个矢量，因此采用复相关系数来分析浮标测得的海流与高频地波雷达测得的合成矢量流的相关性［18］，其表达式如下：

式中：尖括号〈〉表示时间平均；u1，v1为浮标海流的东分量和北分量；u2，v2为雷达矢量流的东分量和北分量；复数ρ的模（小于1）表示雷达和浮标数据整体的相关性。

3　结果与讨论

3.1雷达运行情况

3.1.1运行可靠性除去客观因素，如断电、雷电天气等因素造成的采样场次缺失，高频地波雷达探测流场的时间有效采样率东山站为97.3%，龙海站为93.8%，合成站为92.6%，采样率最低。总体上雷达系统能稳定运行。

3.1.2探测覆盖范围高频地波雷达径向流采样率的空间分布及不同探测距离上的平均覆盖率如图2，图中灰色和黑色同心半圆分别表示距离雷达站100 km和200 km，粉红色、天蓝色、绿色和黄色分别表示采样覆盖率为90%，80%，60%和40%以上的区域。雷达元采样率的空间分布呈现以雷达接收天线和发射天线法向方向的角平分线为轴的近似椭圆分布，离雷达站同一距离的雷达元，靠近雷达法向方向的采样覆盖率高于雷达扇区边缘的区域；在雷达的波束覆盖范围内（120°），平均覆盖率随距离的增大而减小，115 km以内，雷达的覆盖率可以达到90%，135 km以内80%，155 km以内60%。

图2　高频地波雷达探测径向流采样率的空间分布及不同距离上的平均覆盖率

高频地波雷达合成矢量流采样率的空间分布如图3，采样覆盖率随着距离的增大逐渐降低，等值线的分布大致呈近似椭圆形，除了两台雷达连线附近的采样率较低外，在两台雷达探测视角的共同覆盖海区的采样率较高，往两侧采样率逐渐降低。可能受龙海站西南侧障碍物的影响，东山站附近的采样覆盖率较低。浮标布设站位的采样覆盖率均在80%以上，A，B，D和E站的采样覆盖率在99%以上。

3.2雷达探测海流的深度

高频地波雷达是通过海洋表面对高频电磁波的一阶散射机制，从雷达回波中提取流场信息，所提取的流场按其原理应是近海面一定厚度水体在观测时段里的平均速度，根据积分中值定理，若将该厚度的水体分为多层，必定存在某一层的速度最接近该厚度水体的平均速度，而实际应用中一般也认为高频地波雷达提取的流场代表水下近表层某一层的海流。

图3　高频地波雷达探测矢量流采样率的空间分布（同心半圆同图2）

考虑到海流是一个矢量，采用复相关系数（式1）来分析高频地波雷达测量海流与不同深度浮标海流的相关性，将复相关系数最高的那一层海流确定为雷达测流的比测代表层。

由于各浮标与雷达站的相对位置不同，计算得到的复相关系数也有明显差别。D，A浮标位于高频地波雷达测流高精度中心区，B，E浮标位于两个雷达站测流高精度区的边缘，对B1，E1浮标而言，各有一个雷达站已处于测流的边缘区（超过70%最大探测距离）。因此，以D，A浮标处相关性分析结果来判定高频地波雷达测流的代表层更为合理。

图4　高频地波雷达与A、D浮标不同层海流之间的复相关系数

根据图4，近表层中，雷达与A，D浮标不同层海流之间的复相关系数分别为0.875～0.89和0.94～0.95，同一站位各层之间复相关系数比较接近，说明该区域表层的海流较为均匀。复相关系数随深度变深先增大后减小，在1～20层的海流中，D浮标第5～11层的相关性略高于其他层次，A浮标第3～5层的相关性略优于其他层次，综合两浮标的结果，选择第5层，即3.5 m层浮标海流为高频地波雷达的比对代表层，该深度和理论积分深度［17］较为接近。

图5　雷达合成流速与浮标代表层流速相关性散点图

图6　雷达合成流向与浮标代表层流向相关性散点图

3.3雷达探测海流的精度

高频地波雷达合成流流速与各浮标ADCP第5层流速的散点比较如图5。A，B，D站雷达和浮标的流速比对结果均匀且集中地分布在1:1线的两侧，相关性较高，相关系数在0.91～0.95，误差较小，平均误差为-1～5.4 cm/s、平均绝对误差为5.8～7.8 cm/s、均方根误差为7.5～10.1 cm/s。E站的雷达和浮标流速的相关性也较高，相关系数为0.873，但雷达流速明显高估，所以误差也较大（θ为14.8 cm/s，Δm为15.4 cm/s，RMS为19.3 cm/s）。处在边缘区的B1站的比对结果明显偏离1:1线的数据较多，而E1站的雷达流速明显高估且比对结果较为离散。

表1　雷达合成流误差及相关性分析结果

对于矢量流流向（图6），D站雷达和浮标的比对效果最好，复相关系数达到0.98，误差也最小，θ为-0.4°，Δm为9.8°，RMS为15.5°。A，B，B1和E1站雷达和浮标的比对结果大部分较为集中地分布在1:1线的两侧，但出现部分的离散点，均方根误差也较大，为28.5°～40.7°。E站当浮标流向为100°～220°时，雷达值略高估，其他情况下，雷达值总体低估。

为了更直观地了解雷达在不同区域的探测精度，根据误差分析结果，得出高频地波雷达测流（矢量流流速、流向）的均方根误差分布图（图7），流速误差的单位是cm/s，流向误差的单位是（°），离雷达站的距离越远，雷达观测的误差越大。高精度区（A，B，D和E）雷达的探测精度高于边缘区（B1和E1）。

总体上，阵列式高频地波雷达海流有效探测区内的矢量流流速流向的观测误差较小，高精度区流速流向的均方根误差（RMS）分别为7.5～19.3 cm/s和15.5°～33.7°，尤其是高精度区核心区域的RMS仅为7.5～10.1 cm/s和15.5°～28.5°，边缘区流速流向的RMS为16.1～25.8 cm/s和39.5°～40.7°，与国内外达到业务化运行要求的同类产品实际观测精度相当［3，5，12］。

图7　高频地波雷达合成流流速流向均方根误差分布

4　结论

试验期间，雷达合成流的时间有效采样率为92.6%，说明该系统基本上能稳定运行。雷达径向流空间采样率呈现近似椭圆分布，靠近雷达法向方向的采样覆盖率高于雷达扇区边缘的区域，平均覆盖率随距离的增大而减小，115 km以内，雷达的覆盖率可以达到90%，135 km以内80%，155 km以内60%。

通过试验数据比对分析表明：（1）雷达探测海流复相关系数最高的出现在3.5 m；（2）雷达海流有效探测区内的矢量流流速流向的观测误差较小，高精度区流速流向的RMS分别为7.5～19.3 cm/s和15.5°～33.7°（其中核心区域的RMS为7.5～10.1 cm/s和15.5°～28.5°），边缘区的RMS为16.1～25.8 cm/s和39.5°～40.7°，与国内外达到业务化运行要求的同类产品实际观测精度相当。

本文侧重从不同观测深度和不同观测区域长周期验证了国产阵列式高频地波雷达在探测海流方面的准确性、可靠性和稳定性，弥补了以往该方面研究的不足，为全面综合地了解雷达系统海流探测性能及评估其适用性提供有力的根据。

致谢：参与本次试验并提供数据支持的单位，在此一并表示衷心感谢。

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Data Analysis of Long-Term Applicability Test for Surface Currents by HF Surface Wave Radar

XU Quan-jun1，WEI Guo-mei2，3，SHANG Shao-ping2，3，4，HE Zhi-gang2，3，4，DAI Hao2，3，LEI Fa-mei2，3，LIU Ke2，3
1.Marine Environment Special Office of the Chinese People's Liberation Army，Beijing 100081，China；
2.Key Laboratory of Underwater Acoustic Communication and Marine Information Technology，Ministry of Education，Xiamen University，Xiamen 361005，Fujian Province，China；
3.Research and Development Center for Ocean Observation Technologies，Xiamen University，Xiamen 361005，Fujian Province，China；
4.College of Ocean and Earth Sciences，Xiamen University，Xiamen 361102，Fujian Province，China

In order to evaluate the capability of current measurement，verification tests of the OSMAR071 HF surface wave radar system against in-situ measurements had been conducted during Jan 29 to Mar 15，2013.The comprehensive evaluation includes that（1）effective sampling rate and space coverage；（2）the depth of the current measured by radar；and（3）the precision of the currents measured by radar in different areas.The longterm verification suggests that the radar system can effectively retrieve the temporal and spatial variation of surface currents in the effective detection area.The error of the retrieved currents is relatively small，with a root mean square error（RMS）of 7.5-19.3 cm/s（speed）and 15.5-33.7°（direction）in high precision area，7.5-10.1 cm/s and 15.5-28.5°in the core area within the high precision area，and 16.1-25.8 cm/s and 39.5-40.7°in other areas，which is comparable to the actual observing accuracy of similar products at home and overseas.

HF Surface Wave Radar；long-term experiment；surface currents；detection depth of ocean currents

P715

A

1003-2029（2016）01-0023-07

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.01.003

2015-10-08

国家高技术研究发展计划（863计划）资助项目（2012AA091906）

徐全军（1969-），男，高级工程师，主要从事海洋环境观测设备管理。E-mail：zcqxjxqj@126.com

贺志刚，男，博士，副教授，主要从事南海及其临近海域环流的研究。E-mail：zghe@xmu.edu.cn