Morse-3型S波段测波雷达比对试验结果分析

朱丽萍，张　川，程绍华

（国家海洋标准计量中心，天津　300112）

Morse-3型S波段测波雷达比对试验结果分析

朱丽萍，张川，程绍华

（国家海洋标准计量中心，天津300112）

为了评价Morse-3型S波段测波雷达试验数据的有效性和实际观测效果，在遮浪岛附近以MKIII型波浪骑士浮标作为比对仪器进行试验。比对结果显示，所有参数的测量结果均略高于比对仪器的测量结果，且两者的相关性较好，平均波高和对应波周期测量结果最好。波高数据相关系数为0.936，误差介于（-0.1～0.1）m和（-0.2～0.2）m的概率分别为58.59%和99.38%；波周期误差介于（-1.5～1.5）s的概率为64.18%，误差标准偏差为0.50 s。

Morse-3型S波段雷达；MKIII型波浪骑士浮标；有效波波高；有效波波周期；平均波高；平均波周期

Morse-3型S波段测波雷达是武汉大学和武汉七星电气有限公司联合研制的具有独立自主知识产权的海洋环境监测的第三代高精度S波段测波雷达，主要用于海洋防灾减灾、海上运输、海洋石油、海洋渔业、海洋工程和军事活动等海洋动力环境监测、海洋生态系统管理、海洋观测。该雷达波性参数实现自动化，系统具有较高的处理增益，可用较小的发射功率获得较强的回波信号，兼顾探测距离和探测精度，以保证海浪、海流的高精度测量［1］。

海浪是由多个单一正弦波合成的复杂波形，其要素主要包括波高、波周期和波向。为了更好地表征海浪，在海浪连续记录中波高总个数的1/3个大波的波高平均值为1/3波高（有效波波高），对应周期为1/3波周期（有效波周期）。所有波高的平均值为平均波高，对应的周期平均值为平均波周期。波高的最大值为最大波高，对应的周期为最大波周期。波高总个数的1/10个大波的波高平均值为1/10大波波高，对应周期的平均值为1/10大波周期。

国内外许多学者对高频雷达在海洋环境探索中做了大量的比对试验并进行了评估，如Frisch［2］、Chapman［3-4］等人对HF雷达进行了比对试验，赵晨等人对最新研制的多频率高频地波雷达海流、海浪探测情况进行了评价与分析［5-6］。陈泽宗等人研究了S波段雷达海浪探测的基本原理［7］。目前对Morse-3型S波段雷达的比对研究还较少，本文旨在对运用了新方法、新技术的Morse系列S波段第3代测波雷达对海浪的探测结果作进一步的比对分析与评估。

1　仪器简介

Morse-3型S波段测波雷达（下文简称雷达）是一种用于探测近距离海洋动力学参数的高精度S波段多普勒测波雷达，全景观测仅3 min，可探测空间非平稳场和流场，其技术指标见表1。

测波原理：该雷达基于多普勒原理，通过连续测量各方向水质点的轨道速度和回波强度，结合线性海浪理论，计算出海浪谱和速度谱。利用6个方位的数据融合得到有效浪高谱、海浪统计如有效波波高、波周期和波向［8］。

比对仪器选用的是波浪骑士MKIII型测波浮标（下文简称浮标），是测量波高和波向的世界标准，精度可达0.5%。该浮标为重力加速度式浮标，传感器内安装加速度计，加速度计随波面升降测量垂直加速度电压信号，经二次积分后得到波面起伏的电压信号，将该信号进行模数转换和计算处理后就可以得到波浪的各种特征值。两种仪器的性能指标见表1。

表1　两种仪器的技术指标

2　试验说明

试验地点位于广州省汕尾市红海湾区内的遮浪岛，该岛南端突向海中，便于雷达开展探测试验。2015年3月19日-3月30日，在距试验海平面高度约为10 m位置布放测波雷达，其视场半径为1 500 m，天线海拔高度约20 m；比对设备MKIII波浪骑士布防距离测试设备天线700 m处，经度115° 34′22″，纬度22°39′16″，图1和图2分别为雷达天线和波浪骑士MKIII型测波浮标。

图1　雷达天线

图2　波浪骑士MKIII型测波浮标

为了保证比对数据的准确性与有效性，调整校准后的仪器及其应用算法，在整个试验过程中，不再进行修改。

3　数据处理

3.1数据说明

测量数据包括测量时间、最大波高、最大波周期、1/10大波波高、1/10波周期、有效波波高、有效波波周期、平均波波高、平均波波周期、波向等参数。

3.2数据处理

为了客观显示Morse-3型S波段雷达的测量性能，比对仪器与参试仪器所获取的波浪数据先进行初步数据处理，得到空间和时间上具有比对意义的两组数据。

首先，应用3σ准则处理数据，剔除异常点。

其次，为满足时间上比对的统一性，对剔除异常值后的数据进行时间控制，将雷达数据换算成每0.5 h一组数据，换算过程如下：

因波浪骑士浮标的实际测量时间是t时刻后30 min，故将（t，t+30）时间段内的雷达数据取出，假设为Hmax_Morse（1，2，3…n）、H1/10_Morse（1，2，3…n）、H1/3_Morse（1，2，3… n）、Havg_Morse（1，2，3… n），Tmax_Morse（1，2，3…n）、T1/10_Morse（1，2，3…n）、T1/3_Morse（1，2，3…n）、Tavg_Morse（1，2，3…n）。

由武汉大学无线电海洋遥感实验室提供的反演雷达数据算法可知，雷达在T时间段内的波高、波周期统计特征值，为其原始数据中对应样本数据的平均值，即（t，t+30）时间段内Morse-3雷达测量的波高各特征值为：

i为（t，t+30）时间段内的雷达数据序号，i=1，2，3…n。

3.3误差计算

约定浮标测量值为真值，对雷达测量值进行误差计算，计算误差公式如下：

4　比对结果及影响因素

4.1试验比对结果

4.1.1波高比对结果图3分别给出有效波波高、平均波波高、最大波高和1/10大波波高4个参数的比对结果。结果显示，雷达测得值略高于浮标测得值。随着时间变化，雷达与浮标测得波高曲线整体走势一致，均在3月23日、25日、28日出现突变，相关性较好。

图4为雷达与浮标波高测量值差值示意图，显示除个别点（3月21日、28日少数测得值）外，雷达测得值略高于浮标测得值，且波高差值曲线与波高曲线变化走势基本一致，推测波高大小对雷达测波高精度有一定的影响。

比对结果汇总见表2，可以看出，4个参数中平均波波高测量结果最好。平均波高误差介于（-0.1～0.1）m和（-0.2～0.2）m的样本分别占总样本的58.59%和99.38%，相关系数为0.936，两者相关度高，总体测量结果较好，所有误差的标准偏差值为0.15 m；有效波波高误差介于（-0.2～0.2）m和（-0.5～0.5）m的样本分别占总样本的35.40%和80.54%，波高误差小于±0.5 m的概率大，相关系数为0.939，所有误差的标准偏差值为0.24 m，略低于平均波测量结果。

4.1.2波周期比对结果图5给出4种参数的波周期比对结果趋势图。结果显示，雷达测得波周期较浮标测得波周期结果略高但两者走势一致。结合图3可知，波周期走势与波高走势不一致。

图6为波周期差值示意图，除个别结果（3月21日、28日少数测得值）外，雷达测波周期值较浮标测得波周期值略大。结合图5，波周期差值曲线与波周期曲线相关性小，推测可能因为波浪周期变化较小，其相关系数难以反映变化趋势。

波周期具体比对结果见表2，4个比对参数中平均波波周期测量结果相对较好，误差介于（-1.5～1.5）s的概率为64.18%，所有误差的标准偏差为0.50 s。

综上所述，在12 d的比对试验中，Morse-3型S波段测波雷达和MKIII型波浪骑士浮标所测波高和波周期均表现为前者测得值略高于后者，但两者曲线相关性好，其中平均波高和对应的波周期的测量结果相对较好。另经推测，波高大小对雷达测波高精度有一定的影响；但波周期值对雷达测波周期精度影响不明显。

图3　Morse-3型S波段雷达与MKIII型波浪骑士浮标波高测量值比较图

图4　Morse-3型S波段雷达与MKIII型波浪骑士浮标波高测量值差值示意图

图5　Morse-3型S波段雷达与MKIII型浮标波周期测量值趋势图比较

图6　Morse-3型S波段雷达与MKIII型浮标波周期测量值差值示意图

以波浪骑士浮标测量值为约定真值，雷达测波数据误差统计结果如表2。

4.2影响因素分析

综上所知，在对比试验中，雷达和浮标所测波高和波周期数据相关性较好，但也存在一定的误差，引起这些误差的原因可能有以下几点：

（1）试验海况。由波高差值图看出，3月23日-27日波高误差较大，最大波高差值可达1 m以上，参考浮标所测波高，该时间段内最大波高可达（3～5）m，属于5～6级海况，推测风力可能较大，可能是影响测波误差偏大的一个重要影响因子，其对误差的评估较复杂，今后还需作进一步研究。

表2　雷达与波浪骑士浮标比对误差统计表

另外，试验海区为近岸海域，由近岸礁石引起的涌浪、浪高、浪向、浪周期比较混乱，对试验数据有一定的影响；受地理位置影响，岛屿和过往船只对雷达测量信号的提取也会产生较大干扰。

（2）仪器设备测量原理不同。Morse-3型S波段雷达利用高精度S波段的Doppler原理对运动目标的相对速度进行测量，而MKIII型波浪骑士浮标通过测量浮标运动时重力加速度的大小得到波浪运动特征量，二者在测量原理上的不同，使得测量值存在一定得差异。

（3）数据处理过程。雷达实测数据为每3 min获得一组测量值，浮标每0.5 h获得一组测量值，经数据处理后进行比对，比对数据的提取过程不相同。

总之，Morse-3型S波段雷达在海洋探测中的误差来源是多方面的，影响因素也很多，这些因素对测量精度的影响还需长期大量的比对试验来研究和分析，便于进一步对雷达算法进行完善。

5　小结

在Morse-3型S波段测波雷达的比对试验中发现，有效波波高、最大波高、平均波高、1/10大波波高以及对应波周期较MKIII型波浪骑士浮标测量结果略偏高，但相关性很好，其中平均波高和对应波周期的测量结果最好；波高差值曲线与波高曲线变化走势基本一致，推测波高大小对雷达测波高精度有一定的影响。波周期差值曲线与波周期曲线相关性小，推测波周期大小对雷达测波周期精度的影响不明显。

另外，虽然雷达与波浪浮标均能获取波向数据，但浮标的波向参数目前国内无法进行实验室内的计量校准，其准确可靠性无法确认，故此处不对波向作分析。

致谢：感谢武汉大学无线电海洋遥感实验室提供的雷达反演结果，感谢陈泽宗教授、张龙刚博士的指导与帮助，感谢武汉七星电气有限公司在对比试验中给予的大力支持。

［1］范林刚，陈泽宗，金燕，等，微波多普勒雷达海浪参数提取算法［J］.华中科技大学学报：自然科学版，2012，40（10）：21-24.

［2］Frisch A S，Holbrook J，Ages A B.Observations of a Summertime Reversal in Circulation in the Strait of Juan de Fuca［J］.J Gerophys Res，1981，86（C3）:2044-2048.

［3］Chapman R D，Shay L K，Graber H C，et al.On the Accuracy of HF Radar Surface Current Measurements:Intercomparisons with Ship-Based Sensors［J］.J GeophysRes，1997，102:18737-18748.

［4］Chapman R D，Graber H C.Validation ofHF Radar Measurements［J］.Oceangraphy，1997，10（2）:76-79.

［5］Chen Zhao，Zezong Chen，Yanni Jiang，et al.Exploration and Validation of Wave-Height Measurement Using Multifrequency HF Radar［J］.Journal ofAtmospheric and Oceanic Technology，2013，30（9）:2189-2202.

［6］Chen Zhao，Zezong Chen，Gengfei Zeng，et al.Evaluating Radial Current Measurement of Multi-frequency HF radar with Multi-Depth ADCP Data Duringa Small Storm［J］.Journal ofAtmospheric and Oceanic Technology，2015，32（5）:1071-1087.

［7］Ze-zong Chen，Lin-gang Fan，Chen Zhao，et al.Ocean Wave Directional Spectrum Measurement Using Microwave Coherent Radar with SixAntennas［J］.IEICE Electronics Express，2012，9（19）:1542-1549.

［8］LingangFan，ZezongChen，Xi Chen，et al.S-band Radar Measurement ofCorrelation Between Coastal Wave and Tide［J］.International Journal ofDigital Content Technologyand Its Applications（JDCTA），2012，6（19）:503-510.

Analysis on the Comparative Test Results of the Morse-3 S-Band Wave Radar

ZHU Li-ping，ZHANG Chuan，CHENG Shao-hua
National Center of Ocean Standard and Metrology，Tianjin 300112，China

To evaluate the effectiveness and observed results of the Morse-3 S-band wave radar，comparative tests were carried out using the MKIII wave rider buoy in the area adjacent to the Zhelang Island.The comparative tests show that the measuring results of all parameters using the Morse-3 S-band wave radar are slightly higher than those using the MKIII-wave rider buoy and they have high correlation.The average wave height and corresponding wave period have the best measuring results.The correlation coefficient of wave height is 0.936，and its error varying from（-0.1-0.1）m to（-0.2-0.2）m，with the probability of 58.59%and 99.38%，respectively.The error of wave period ranges（-1.5-1.5）s，with its probability of 64.18%.The standard deviation of the error is 0.50 s.

Morse-3 S-band wave radar；MKIII wave rider buoy；significant wave height；significant wave period；average wave height；average wave period

P715

A

1003-2029（2016）01-0030-06

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.01.004

2015-07-11

朱丽萍（1986-），女，硕士研究生，主要研究方向为海洋水文气象仪器校准。E-mail：zhulipingouc2010@163.com