Wave Parameter Inversion Method Based on Triangular Array Radar

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2025.05.021

Abstract

Abstract:

In this study， an improved periodic graph method was proposed for wave power spectrum analysis， optimizing the computational process of spectrum estimation and enhancing the inversion speed of parameters such as wave height and wave period. An algorithm for estimating wave direction was investigated. The surface slope was derived from the heights of three points on the wave surface measured by the radar array， and the wave direction information was determined through the interrelationship between the slope and the heave motion of the water surface， simplifying the computational approach for wave direction inversion. Experimental results of comparison with buoy data demonstrate that the correlation of wave parameters obtained by the inversion method presented in this paper and the Datawell Mk III wave buoy reaches 98.4%， suiting real-world applications.

Key words: wave power spectrum, improved periodic graph method, array radar, space vector, wave parameter inversion

摘要：

提出了一种改进周期图法的波浪功率谱分析方法，优化了谱估计的计算流程，提升了波高波周期等参数反演的速度。研究了波浪方向估计算法，利用雷达阵列测得的波面三点高度获取水面斜率，通过斜率及水面升沉变化的相互关系来确定波浪方向信息，简化了波浪方向反演的计算方法。与浮标数据对比实验结果表明，波浪参数反演方法与Datawell Mk III波浪浮标的反演方法得到的波浪参数相关性达到98.4%，可以满足实际使用要求。

关键词: 波浪功率谱, 改进周期图法, 阵列雷达, 空间向量, 波浪参数反演

CLC Number:

TP 391.9

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Figures/Tables 15

Fig. 1 Improved spectrum estimation process of periodic graph method

Fig. 2 Illustration of an equilateral triangular radar array

Fig. 3 Principle of wave direction estimation

Fig. 4 Rose plot of wave direction

Fig. 5 Buoy WALLOPS ISLAND， VA-224 wave time series

Fig. 6 Wave time series subsequences are windowed

Fig. 7 Smoothed subsequence power spectrum

Fig. 8 Comparison between the simulated wave power spectrum in this paper and the wave power spectrum provided by the CDIP website

Table 1 Statistical comparison of wave characteristic parameter values

波浪特征	本文	CDIP网站参考值
T_mean/s	4.17	4.29
T_1/3/s	5.17	5.28
H_mean/m	0.495	0.494
H_1/3/m	0.791	0.789

Fig. 9 Comparison of experimental results of multiple sets of wave parameter inversion

Table 2 Correlation coefficient of inversion results of wave parameters

波浪参数	H_mean	H_1/3	T_mean	T_1/3
相关系数	0.999 1	0.999 3	0.984 3	0.984 5

Fig. 10 Wave time series of the radar array

Fig. 11 Simulation results of wave direction rose plot 1

Fig. 12 Simulation results of wave direction rose plot 2

Table 3 Comparison results of retrieved velocities of wave parameters from different radar platforms

反演方法	采集周期	反演时间
反演方法	采集周期	波高/s	波周期/s	波向/s
浮标	60 min	1.2	1.2	1.2
雷达高度计	10 d	3 401	无	无
三角阵列雷达	20 min	1	1	1

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