CN103604944B - 一种基于单站船载高频地波雷达的表面流测量方法 - Google Patents

Abstract

一种基于单站船载高频地波雷达的表面流测量方法，属于船载高频地波超视距雷达信号空-时处理领域和海洋表面流遥感领域。解决了传统岸基高频地波雷达采用双站式测量方案测量表面流矢量场存在的同步探测难、遥感面积小、测量费用昂贵和观测效率低的问题。将被测海域划分为多个扇形网格，每个网格为一个探测单元；利用时-空联合谱估计方法及谱搜索获得每个探测单元上实测正负一阶Bragg谱峰的位置，并求取相应探测单元上的径向流速，获得被测海域的径向流场分布；利用最小二乘法求取每个整体上最优表面流矢量场；利用对多个测量时刻在同一探测单元内测得最优的表面流矢量场进行加权平均，获得被测海域表面流矢量场。具体用于海洋表面流的测量。

Description

一种基于单站船载高频地波雷达的表面流测量方法

技术领域

本发明属于船载高频地波超视距雷达信号空-时处理领域和海洋表面流遥感领域。

背景技术

高频地波（表面波）雷达利用垂直极化高频电磁波在海水表面传播时具有传播衰减小、绕射特性好等特点，可为超视距目标探测以及海洋动力过程遥测提供良好的探测手段。与传统的海洋监测手段相比，高频地波雷达具有作用距离远、覆盖范围广、探测精度高、实时性好以及全天候服务等优点，在海上交通监控、海上资源开发、海洋气象预报以及海洋学研究等方面具有广泛的应用前景。

理论上，高频地波雷达海浪回波的正负一阶Bragg峰应准确地出现在关于零多普勒频率左右的两个离散频点上。但在实际测量中，由于海洋存在着表面流场，从而导致它们的多普勒频率发生了相应的频移。显然，该频移量是正比于表面流场径向速度的。岸基高频地波雷达就是根据此原理实现对海洋表面流遥测的。利用单站高频地波雷达只能得到探测海域的径向流图，要想获得该区域内海洋表面流矢量场的分布情况，就必须利用两部位于不同位置的雷达对该海域进行同步探测。然而，利用双站式测量表面流矢量场存在诸多问题，首先是需要投入更多的人力物力，导致成本成倍增加；其次当探测所在位置的横坐标较大而纵坐标较小，即探测点与两部雷达之间的连线（称为基线）相距较近，而与基线的中垂线之间的距离较远时，在计算海流流速的纵向分量时会产生不稳定性，引起较大的计算误差；再者在雷达站点选址时必须要保证探测点能够同时被两部雷达照射到，也就是说探测点必须同时在两部雷达的探测范围之内，并且不能被陆地或岛屿等遮蔽。因此，如何利用单站雷达获取海洋表面流矢量场分布一直是无线电海洋学研究领域重点的研究问题。

船载高频地波雷达是岸基高频地波雷达海洋遥测技术的深入与发展，除保留岸基高频地波雷达的优点外，还具有船载平台的灵活机动性能。另外，船载高频地波雷达与机载雷达相似，因此，许多基于机载雷达研究发展起来的时-空处理方法可以用于船载高频地波雷达海浪回波信号的时-空处理。

发明内容

本发明是为了解决传统岸基高频地波雷达采用双站式测量方案测量表面流矢量场存在的同步探测难、遥感面积小、测量费用昂贵和观测效率低的问题，本发明提供了一种基于单站船载高频地波雷达的表面流测量方法。

一种基于单站船载高频地波雷达的表面流测量方法，它包括如下步骤：

第一步、根据船载高频地波雷达的系统参数，将被测海域等间距、等角度划分为多个扇形网格，每个网格为一个探测单元；

第二步、利用时-空联合谱估计方法对船载高频地波雷达探测的每个距离圆环的海浪回波时-空谱进行估计，通过谱搜索获得每个探测单元上实测正负一阶Bragg谱峰的位置；

第三步、根据每个探测单元上实测正负一阶Bragg谱峰的位置求取相应探测单元上的径向流速，从而获得整个被测海域的径向流场分布，且此时整个被测海域的径向流场分布的角度分辨率为初始角度分辨率A；

第四步、设在船载高频地波雷达测量的时间范围内，被测海域的表面流场是一致的，且每个探测单元内仅存在一个流场；

第五步、将同一个距离圆环内相邻的三个探测单元合并为一个整体，这三个探测单元内的径向流值是由同一个矢量流场在它们各自径向方向上的投影产生的，降低初始角度分辨率A，获得当前角度分辨率B，且所述的B=3A，然后利用最小二乘法求取每个整体上最优的表面流矢量场；

第六步、船载高频地波雷达对同一个探测单元在相邻多个测量时刻所获得最优的表面流矢量场为同一流场，利用对多个测量时刻在同一探测单元内测得的最优的表面流矢量场进行加权平均，获得被测海域表面流矢量场。

本发明所述的一种基于单站船载高频地波雷达的表面流测量方法利用了实际海洋表面流场缓变的特性以及船载高频地波雷达具有的平台灵活机动性能，以降低船载高频地波雷达系统的角度分辨率为代价，实现单站船载高频地波雷达测量表面流矢量场的目的。这将不仅大大降低表面流矢量场的观测成本，还能进行同步探测，遥感面积大，有效提高了观测效率，且观测效率提高了20%以上，具有广泛的实际应用价值。

附图说明

图1为具体实施方式一所述的一种基于单站船载高频地波雷达的表面流测量方法的流程图；

图2为具体实施方式一中经第一步划分获得的多个扇形网格的示意图；其中，△θ为扇形网格单元距离向间隔，△R为网格单元方位向间隔；v_p为平台运动速度；

图3是具体实施方式一中第五步获得的矢量流场的几何关系图；表示第r个距离单元内第k号探测单元上的二维矢量流场；为该矢量流场在探测单元上的径向流场；

图4是具体实施方式五中，模拟的二维矢量流场在九个连续的距离圆环内的分布情况示意图；

图5具体实施方式五中，是在无径向流测量误差情况下，通过降低系统角度分辨率利用最小二乘法反演的矢量流场；

图6具体实施方式五中，是在有径向流测量误差情况下，通过降低系统角度分辨率利用最小二乘法反演的矢量流场；

图7具体实施方式五中，是船载高频地波雷达在不同位置对同一探测单元测量二维矢量海流的几何关系图；

图8具体实施方式五中，是在有测量误差的情况下，对9个观测位置在同一个探测单元内测得的矢量流场加权平均后得到的矢量流场。

具体实施方式

具体实施方式一：参见图1、2和3说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于单站船载高频地波雷达的表面流测量方法，它包括如下步骤：

第一步、根据船载高频地波雷达的系统参数，将被测海域等间距、等角度划分为多个扇形网格，每个网格为一个探测单元；

第二步、利用时-空联合谱估计方法对船载高频地波雷达探测的每个距离圆环的海浪回波时-空谱进行估计，通过谱搜索获得每个探测单元上实测正负一阶Bragg谱峰的位置；

第三步、根据每个探测单元上实测正负一阶Bragg谱峰的位置求取相应探测单元上的径向流速，从而获得整个被测海域的径向流场分布，且此时整个被测海域的径向流场分布的角度分辨率为初始角度分辨率A；

第四步、设在船载高频地波雷达测量的时间范围内，被测海域的表面流场是一致的，且每个探测单元内仅存在一个流场；

第五步、将同一个距离圆环内相邻的三个探测单元合并为一个整体，这三个探测单元内的径向流值是由同一个矢量流场在它们各自径向方向上的投影产生的，降低初始角度分辨率A，获得当前角度分辨率B，且所述的B=3A，然后利用最小二乘法求取每个整体上最优的表面流矢量场；

第六步、船载高频地波雷达对同一个探测单元在相邻多个测量时刻所获得最优的表面流矢量场为同一流场，利用对多个测量时刻在同一探测单元内测得的最优的表面流矢量场进行加权平均，获得被测海域表面流矢量场。

本实施方式中，对于一片充分发展的海域而言，其表面流场通常是缓慢变化的（除海啸等极端恶劣情况以外），而雷达测量时间一般为100～200s，故第四步的是合理的。

具体实施方式二：参见图1、2和3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种基于单站船载高频地波雷达的表面流测量方法的区别在于，所述的第一步中根据船载高频地波雷达的系统参数，将被测海域等间距、等角度划分为多个扇形网格的具体过程为，

首先，根据船载高频地波雷达的系统距离分辨率将被测海域等间距划分，然后再采用方位估计算法获得的该时刻角度分辨率将被测海域等角度划分，从而得到被测测海域的所有扇形网格。

具体实施方式三：参见图1、2和3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式二所述的一种基于单站船载高频地波雷达的表面流测量方法的区别在于，所述的第二步中利用时-空联合谱估计方法对船载高频地波雷达探测的每个距离圆环的海浪回波时-空谱进行估计，通过谱搜索获得每个探测单元上实测正负一阶Bragg谱峰的位置的具体过程为，

第二一步、对船载高频地波雷达探测到的每个距离圆环的海浪回波协方差矩阵R_oc进行特征分解，获得

$\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{oc}}=\underset{i=1}{\overset{N_r}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_i{e}_i{e}_i^H+\underset{j=N_r+1}{\overset{\mathrm{MK}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_j{e}_j{e}_j^H\\ =U_s{\mathrm{\Σ}}_s{U}_s^H+U_n{\mathrm{\Σ}}_n{U}_n^H\end{array}$     （公式一）；

通过公式一求取U_n；

其中，N_r为协方差矩阵的秩，且

$N_r=\mathrm{int}[\frac{4d}{\mathrm{\λ}}(M-1+\mathrm{\β}(K-1))+2]$ （公式二）；

M为阵元数；

K为快拍数；

int[·]表示正方向取整；

表示雷达平台在一个调频周期内运动的半阵元间距的个数；

v_p为船载高频地波雷达的平台运动速度；

T_r为调频周期；

λ为雷达工作波长，

d为阵元间距，且d=λ/2，

λ_i为R_oc的第i个特征值，i=1,2,…,N_r，

λ_j为R_oc的第j个特征值，j=N_r+1,N_r+2，…,MK，

且 ${\mathrm{\λ}}_1\≥{\mathrm{\λ}}_2\≥...{\mathrm{\λ}}_{N_r}>{\mathrm{\λ}}_{N_r+1}=...={\mathrm{\λ}}_{\mathrm{MK}}={\mathrm{\σ}}^2,$

σ²为噪声功率，

e_i为R_oc的第i特征值λ_i对应的特征向量，

${\mathrm{\Σ}}_s=\mathrm{diag}(\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{\λ}}_1& {\mathrm{\λ}}_2& ...& {\mathrm{\λ}}_{N_r}\end{array}\right])$ 为大特征值组成的对角阵，

$U_s=\left[\begin{array}{cccc}{e}_1& e_2& ...& e_{N_r}\end{array}\right]$ 为大特征值对应的海浪子空间；

${\mathrm{\Σ}}_n=\mathrm{diag}(\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{\λ}}_{N_r+1}& {\mathrm{\λ}}_{N_r+2}& ...& {\mathrm{\λ}}_{\mathrm{MK}}\end{array}\right])$ 为小特征值组成的对角阵，

$U_n=\left[\begin{array}{cccc}{e}_{N_r+1}& e_{N_r+2}& ...& e_{\mathrm{MK}}\end{array}\right]$ 为小特征值对应的海浪子空间；

[·]^H为共轭转置算子；

第二二步、将第二一步中求取的U_n的值代入时-空联合谱估计算法

$P(\mathrm{\θ},f)=\frac{v^H(\mathrm{\θ},f)v(\mathrm{\θ},f)}{v^H(\mathrm{\θ},f)U_n{U_n}^{H}v(\mathrm{\θ},f)}$     （公式三）

中，获得每个距离圆环的海浪回波时-空谱估计值P(θ,f)，然后搜索P(θ,f)中实测正负一阶Bragg谱峰所在位置和获得实测正负一阶Bragg谱峰在相应探测单元中的位置；

其中， $v(\mathrm{\θ},f)=b\left(f\right)\⊗a\left(\mathrm{\θ}\right)$ 为空时导向矢量，

a(θ)=[1 exp(j2πd cos(θ)λ)…exp(j2π(M-1)d cos(θ)λ)]^T为指向角度θ的空间导向矢量，

b(f)=[1 exp(j2πfT_r)…exp(j2π(K-1)fT_r)]^T为指向频率f的时间导向矢量，

为船载高频地波雷达实测正一阶Bragg谱在角度上的多普勒频率，

为船载高频地波雷达实测负一阶Bragg谱在角度上的多普勒频率。

具体实施方式四：参见图1、2和3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式三所述的一种基于单站船载高频地波雷达的表面流测量方法的区别在于，所述的第三步中根据每个探测单元上实测正负一阶Bragg谱峰的位置求取相应探测单元上的径向流速，从而获得整个被测海域的径向流场分布的具体过程为，

第三一步、计算每个距离圆环内每个探测单元上理论正负一阶Brgg谱峰所在的位置分别为和其中

为船载高频地波雷达理论正一阶Bragg谱在角度上的多普勒频率，

为船载高频地波雷达理论负一阶Bragg谱在角度上的多普勒频率，

为Bragg频率，

g为重力加速度；

第三二步、将同一个距离圆环内每个探测单元上的实测正一阶Bragg谱的多普勒频率与理论正一阶Bragg谱的多普勒频率做差，获得

将同一个距离圆环内每个探测单元上的实测负一阶Bragg谱的多普勒频率与理论负一阶Bragg谱的多普勒频率做差，获得

求取出同一个距离圆环内每个探测单元上由径向海流所引起的多普勒频率变化

△f=(△f_正Bragg+△f_负Bragg)/2    （公式四），

第三三步、将第三二步中求取出的同一个距离圆环内每个探测单元上由径向海流所引起的多普勒频率变化△f代入

$v=\frac{\mathrm{\λ\Δf}}{2}$     （公式五），

求出每个探测单元的径向流速v，从而获得整个被测海域的径向流场分布(v_r,k,θ_r,k)；

其中，v_r,k为第r个距离圆环内第k个探测单元上的径向流速，

θ_r,k为第r个距离圆环内第k个探测单元上的角度，

r=1,2,…,R_b，R_b为距离圆环个数，

k=1,2,…,R_a，R_a为每个距离圆环内探测单元个数。

具体实施方式五：参见图1、2和3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式四所述的一种基于单站船载高频地波雷达的表面流测量方法的区别在于，所述的第五步中利用最小二乘法求取每个整体上最优的表面流矢量场的具体过程为，

将

${\mathrm{\Δv}}_{n,k}^r=v_{r,n+k}-\frac{1}{3}\underset{n=-1}{\overset{1}{\mathrm{\Σ}}}{v}_{r,n+k}$     （公式六）

代入

$V_{r,k}=\frac{\underset{n=-1}{\overset{1}{\mathrm{\Σ}}}{v}_{r,n+k}\cos ({\mathrm{\φ}}_{r,k}-{\mathrm{\θ}}_{r,n+k})/{\left({\mathrm{\Δv}}_{n,k}^r\right)}^2}{\underset{n=-1}{\overset{1}{\mathrm{\Σ}}}{[\cos ({\mathrm{\φ}}_{r,k}-{\mathrm{\θ}}_{r,n+k})/{\mathrm{\Δr}}_{n,k}^r]}^2}$     （公式七）

中，获得V_r,k的值，再将V_r,k的值代入

$({\hat{V}}_{r,k},{\widehat{\mathrm{\φ}}}_{r,k})=\underset{{\mathrm{\φ}}_{r,k}}{\min }\underset{n=-1}{\overset{1}{\mathrm{\Σ}}}{\left[\frac{v_{r,n+k}-V_{r,k}\cos ({\mathrm{\φ}}_{r,k}-{\mathrm{\θ}}_{r,n+k})}{{\mathrm{\Δv}}_{n,k}^r}\right]}^2$     （公式八）

中，获得每个探测单元上最优的表面流矢量场当n+k>R_a时，取n+k=R_a；当n+k<1时，取n+k=1；

其中，n=-1，0,1；

为第r个距离圆环内第k个探测单元上的矢量流场的幅度；

为第r个距离圆环内第k个探测单元上的角度；

v_r,n+k为第r个距离圆环内第n+k个探测单元上的径向流速；

V_r,k为r个距离圆环内第k个探测单元上矢量流场搜索的幅度；

φ_r,k为r个距离圆环内第k个探测单元上矢量流场搜索的角度；

θ_r,n+k为第r个距离圆环内第n+k个探测单元上的角度；

为第r个距离圆环内第n+k个探测单元上的径向流速与平均流速的误差流速。

本实施方式中，实际船载高频地波雷达系统的覆盖距离可达200km，取△R=2km，△θ=2°，这里给出9个距离单元内矢量流场的情况，以模拟矢量流场的流速为0.5m/s，方向沿着平台运动方向的均匀海流来检验第五步骤的性能。模拟的二维矢量流场具体参见图4，反演的矢量流场结果见5和图6，

模拟的二维矢量流场在九个连续的距离圆环内的分布情况，具体参见图4。在无径向流测量误差情况下，通过降低系统的角度分辨率利用最小二乘法反演的二维矢量流场，具体参见图5；但实际测量过程中，测量误差是无法避免的；

在有径向流测量误差情况下，通过降低系统的角度分辨率利用最小二乘法反演的二维矢量流场，具体参见图6；图6中给出将均值为0，方差为0.01的高斯白噪声加入到精确的径向流场后矢量流场的反演结果，显然，该方法的测量性能受到相当大的影响。因此，本发明在此基础上，认为船载高频地波雷达对同一个探测单元在相邻多个测量时刻所获得最优的表面流矢量场为同一流场，使系统的时间分辨率降低，因此，利用多个时刻在同一探测单元内测得的矢量流场进行加权平均可以有效减小因系统误差引起的测量性能降低问题；

其中，图4、5、6和8中的1m/s均用于对流场流速的参照；

船载高频地波雷达在不同位置对同一探测单元测量二维矢量海流的几何关系图，具体参见图7；a，b和c分别为在船载平台运动过程中三个相邻的观测位置；为a观测位置在同一个探测单元内测得的矢量流场；为b观测位置在同一个探测单元内测得的矢量流场；为c观测位置在同一个探测单元内测得的矢量流场；

在有测量误差的情况下，对相邻9个观测位置在同一个探测单元内测得的矢量流场加权平均后得到的矢量流场，具体参见图8。

具体实施方式六：参见图1和2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式四所述的一种基于单站船载高频地波雷达的表面流测量方法的区别在于，所述的A的取值范围为从0.5°到2°。

Claims (6)

1.一种基于单站船载高频地波雷达的表面流测量方法，其特征在于，它包括如下步骤：

第一步、根据船载高频地波雷达的系统参数，将被测海域等间距、等角度划分为多个扇形网格，每个网格为一个探测单元；

第二步、利用时-空联合谱估计方法对船载高频地波雷达探测的每个距离圆环的海浪回波时-空谱进行估计，通过谱搜索获得每个探测单元上实测正负一阶Bragg谱峰的位置；

第三步、根据每个探测单元上实测正负一阶Bragg谱峰的位置求取相应探测单元上的径向流速，从而获得整个被测海域的径向流场分布，且此时整个被测海域的径向流场分布的角度分辨率为初始角度分辨率A；

第四步、设在船载高频地波雷达测量的时间范围内，被测海域的表面流场是一致的，且每个探测单元内仅存在一个流场；

第五步、将同一个距离圆环内相邻的三个探测单元合并为一个整体，这三个探测单元内的径向流值是由同一个矢量流场在它们各自径向方向上的投影产生的，降低初始角度分辨率A，获得当前角度分辨率B，且所述的B＝3A，然后利用最小二乘法求取每个整体上最优的表面流矢量场；

第六步、船载高频地波雷达对同一个探测单元在相邻多个测量时刻所获得最优的表面流矢量场为同一流场，利用对多个测量时刻在同一探测单元内测得的最优的表面流矢量场进行加权平均，获得被测海域表面流矢量场。

2.根据权利要求1所述的一种基于单站船载高频地波雷达的表面流测量方法，其特征在于，所述的第一步中根据船载高频地波雷达的系统参数，将被测海域等间距、等角度划分为多个扇形网格的具体过程为，

首先，根据船载高频地波雷达的系统距离分辨率将被测海域等间距划分，然后再采用方位估计算法获得的该时刻角度分辨率将被测海域等角度划分，从而得到被测测海域的所有扇形网格。

3.根据权利要求2所述的一种基于单站船载高频地波雷达的表面流测量方法，其特征在于，所述的第二步中利用时-空联合谱估计方法对船载高频地波雷达探测的每个距离圆环的海浪回波时-空谱进行估计，通过谱搜索获得每个探测单元上实测正负一阶Bragg谱峰的位置的具体过程为，

第二一步、对船载高频地波雷达探测到的每个距离圆环的海浪回波协方差矩阵R_oc进行特征分解，获得

$\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{oc}}=\underset{i=1}{\overset{N_r}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&lambda;}}_i{e}_i{e}_i^H+\underset{j=N_r+1}{\overset{\mathrm{MK}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&lambda;}}_j{e}_j{e}_j^H\\ =U_s{\mathrm{\&Sigma;}}_s{U}_s^H+U_n{\mathrm{\&Sigma;}}_n{U}_n^H\end{array}---\left(1\right);$

通过公式(1)求取U_n；

其中，N_r为协方差矩阵的秩，且

$N_r=\mathrm{int}[\frac{4d}{\mathrm{\&lambda;}}(M-1+\mathrm{\&beta;}(K-2))+2]---\left(2\right);$

M为阵元数；

K为快拍数；

int[·]表示正方向取整；

β＝2v_pT_r/d表示雷达平台在一个调频周期内运动的半阵元间距的个数；

v_p为船载高频地波雷达的平台运动速度；

T_r为调频周期；

λ为雷达工作波长，

d为阵元间距，且d＝λ/2

λ_i为R_oc的第i个特征值，i＝1,2,…,N_r，

λ_j为R_oc的第j个特征值，j＝N_r+1,N_r+2，…,MK，

且 ${\mathrm{\&lambda;}}_1\&GreaterEqual;{\mathrm{\&lambda;}}_2\&GreaterEqual;...{\mathrm{\&lambda;}}_{N_r}>{\mathrm{\&lambda;}}_{N_r+1}=...={\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{MK}}={\mathrm{\&sigma;}}^2,$

σ²为噪声功率，

e_i为R_oc的第i特征值λ_i对应的特征向量，

${\mathrm{\&Sigma;}}_s=\mathrm{diag}\left(\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{\&lambda;}}_1& {\mathrm{\&lambda;}}_2& ...& {\mathrm{\&lambda;}}_{N_r}\end{array}\right]\right)$ 为大特征值组成的对角阵，

$U_s=\left[\begin{array}{cccc}{e}_1& e_2& ...& e_{N_r}\end{array}\right]$ 为大特征值对应的海浪子空间；

${\mathrm{\&Sigma;}}_n=\mathrm{diag}\left(\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{\&lambda;}}_{N_r+1}& {\mathrm{\&lambda;}}_{N_r+2}& ...& {\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{MK}}\end{array}\right]\right)$ 为小特征值组成的对角阵，

$U_n=\left[\begin{array}{cccc}{e}_{N_r+1}& e_{N_r+2}& ...& e_{\mathrm{MK}}\end{array}\right]$ 为小特征值对应的海浪子空间；

[·]^H为共轭转置算子；

第二二步、再将第二一步中求取的U_n的值代入时-空联合谱估计算法

$P(\mathrm{\&theta;},f)=\frac{v^H(\mathrm{\&theta;},f)v(\mathrm{\&theta;},f)}{v^H(\mathrm{\&theta;},f)U_n{U_n}^{H}v(\mathrm{\&theta;},f)}---\left(3\right)$

中，获得每个距离圆环的海浪回波时-空谱估计值P(θ,f)，然后搜索P(θ,f)中实测正负一阶Bragg谱峰所在位置和获得实测正负一阶Bragg谱峰在相应探测单元中的位置；

其中， $v(\mathrm{\&theta;},f)=b\left(f\right)\&CircleTimes;a\left(\mathrm{\&theta;}\right)$ 为空时导向矢量，

a(θ)＝[1 exp(j2πdcos(θ)/λ) … exp(j2π(M-1)dcos(θ)/λ)]^T为指向角度θ的空间导向矢量，

b(f)＝[1 exp(j2πfT_r) … exp(j2π(K-1)fT_r)]^T为指向频率f的时间导向矢量，

为船载高频地波雷达实测正一阶Bragg谱在角度上的多普勒频率，

为船载高频地波雷达实测负一阶Bragg谱在角度上的多普勒频率。

4.根据权利要求3所述的一种基于单站船载高频地波雷达的表面流测量方法，其特征在于，所述的第三步中根据每个探测单元上实测正负一阶Bragg谱峰的位置求取相应探测单元上的径向流速，从而获得整个被测海域的径向流场分布的具体过程为，

第三一步、计算每个距离圆环内每个探测单元上理论正负一阶Brgg谱峰所在的位置分别为和其中

为船载高频地波雷达理论正一阶Bragg谱在角度上的多普勒频率，

为船载高频地波雷达理论负一阶Bragg谱在角度上的多普勒频率，

为Bragg频率，

g为重力加速度；

第三二步、将同一个距离圆环内每个探测单元上的实测正一阶Bragg谱的多普勒频率与理论正一阶Bragg谱的多普勒频率做差，获得

将同一个距离圆环内每个探测单元上的实测负一阶Bragg谱的多普勒频率与理论负一阶Bragg谱的多普勒频率做差，获得

求取出同一个距离圆环内每个探测单元上由径向海流所引起的多普勒频率变化

△f＝(△f_正Bragg+△f_负Bragg)/2  (4)，

第三三步、将第三二步中求取出的同一个距离圆环内每个探测单元上由径向海流所引起的多普勒频率变化△f代入

$v=\frac{\mathrm{\&lambda;\&Delta;f}}{2}---\left(5\right),$

求出每个探测单元的径向流速v，从而获得整个被测海域的径向流场分布(v_r,k,θ_r,k)；

其中，v_r,k为第r个距离圆环内第k个探测单元上的径向流速，

θ_r,k为第r个距离圆环内第k个探测单元上的角度，

r＝1,2,…,R_b，R_b为距离圆环个数，

k＝1,2,…,R_a，R_a为每个距离圆环内探测单元个数。

5.根据权利要求4所述的一种基于单站船载高频地波雷达的表面流测量方法，其特征在于，所述的第五步中利用最小二乘法求取每个整体上最优的表面流矢量场的具体过程为，

将

${\mathrm{\&Delta;v}}_{n,k}^r=v_{r,n+k}-\frac{1}{3}\underset{n=-1}{\overset{1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{v}_{r,n+k}---\left(6\right)$

代入

$V_{r,k}=\frac{\underset{n=-1}{\overset{1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{v}_{r,n+k}\cos ({\mathrm{\&phi;}}_{r,k}-{\mathrm{\&theta;}}_{r,n+k})/{\left({\mathrm{\&Delta;v}}_{n,k}^r\right)}^2}{\underset{n=-1}{\overset{1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{[\cos ({\mathrm{\&phi;}}_{r,k}-{\mathrm{\&theta;}}_{r,n+k})/{\mathrm{\&Delta;v}}_{n,k}^r]}^2}---\left(7\right)$

中，获得V_r,k的值，再将V_r,k的值代入

$({\hat{V}}_{r,k},{\widehat{\mathrm{\&phi;}}}_{r,k})=\underset{{\mathrm{\&phi;}}_{r,k}}{\min }\underset{n=-1}{\overset{1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left[\frac{v_{r,n+k}-V_{r,k}\cos ({\mathrm{\&phi;}}_{r,k}-{\mathrm{\&theta;}}_{r,n+l})}{{\mathrm{\&Delta;v}}_{n,k}^r}\right]}^2---\left(8\right)$

中，获得每个探测单元上最优的表面流矢量场当n+k>R_a时，取n+k＝R_a；当n+k<1时，取n+k＝1；

其中，n＝-1，0,1；

为第r个距离圆环内第k个探测单元上的矢量流场的幅度；

为第r个距离圆环内第k个探测单元上的角度；

v_r,n+k为第r个距离圆环内第n+k个探测单元上的径向流速；

V_r,k为r个距离圆环内第k个探测单元上矢量流场搜索的幅度；

φ_r,k为r个距离圆环内第k个探测单元上矢量流场搜索的角度；

θ_r,n+k为第r个距离圆环内第n+k个探测单元上的角度；

为第r个距离圆环内第n+k个探测单元上的径向流速与平均流速的误差流速。

6.根据权利要求1所述的一种基于单站船载高频地波雷达的表面流测量方法，其特征在于，所述的A的取值范围为从0.5°到2°。