[论文解读] High-Frequency radar measurements with CODARs in the region of Nice: improved calibration and performance

Charles‐Antoine Guérin, Dylan Dumas+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 8, 2021

Radar Systems and Signal Processing参考文献 28被引用 1

一句话总结

本文提出了一种新型自校准技术，用于CODAR高频雷达系统，仅使用记录的多普勒谱而无需外部校准任务，即可将径向表面流速测量精度提高2–3 cm/s，优于标准的理想或实测天线响应模式。该方法在法国尼斯附近西北地中海海域得到验证，基于40个漂流浮标部署数据，实现了连续、低成本的校准更新，适用于海岸海洋监测网络。

ABSTRACT

We report on the installation and first results of one compact oceanographic radar in the region of Nice for a long-term observation of the coastal surface currents in the North-West Mediterranean Sea. We describe the specific processing and calibration techniques which were developed at the laboratory to produce high-quality radial surface current maps. In particular, we propose an original self-calibration technique of the antenna patterns, which is based on the sole analysis of the databasis and does not require any shipborne transponder or other external transmitters. The relevance of the self-calibration technique and the accuracy of inverted surface currents have been assessed with the launch of 40 drifters that remained under the radar coverage for about 10 days.

研究动机与目标

• 提高法国尼斯沿海区域高频雷达（HFR）表面流速测量的精度。
• 解决紧凑型HFR系统中因方位角分辨率有限且易受安装引起的畸变影响而带来的天线响应校准挑战。
• 开发一种无需外部信标或专用船舶校准任务的自校准方法。
• 通过现场漂流浮标测量数据验证自校准雷达系统的性能。

提出的方法

• 开发一种自校准技术，通过分析记录的多普勒谱，估计并校正天线增益响应与理想响应之间的偏差。
• 采用Friedlander和Weiss阵列自校准方法，并将其适配于HFR数据，通过时序雷达数据迭代优化天线响应估计。
• 该技术避免依赖外部发射器或船载信标，实现自主、周期性的重新校准。
• 该方法应用于在圣-热安-卡佩费拉特站点采集的CODAR SeaSonde数据，使用13.5 MHz频率和100 kHz带宽。
• 对比三种天线响应模式：理想（理论）模式、实测（通过专用船舶实验获得）模式和自校准（基于数据分析获得）模式。
• 采用MUSIC算法进行波达方向估计，生成径向流速图，并通过与漂流浮标数据的统计比较评估性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 仅基于记录的雷达谱数据的自校准技术是否能在无外部校准源的情况下提升HFR径向流速测量精度？
• RQ2 与理想和实测天线响应模式相比，自校准天线响应在径向流速估计精度方面表现如何？
• RQ3 天线响应校准对HFR反演流速与现场漂流浮标测量结果之间的一致性有何影响？
• RQ4 与标准校准方法相比，该自校准方法是否降低了均方根误差（RMSE）并提高了相关系数（CC）？

主要发现

• 与理想模式相比，自校准天线响应使径向表面流速估计的均方根误差（RMSE）降低了2.3 cm/s，分别为13.5 cm/s（自校准）和15.8 cm/s（理想模式）。
• HFR数据与漂流浮标数据的相关系数（CC）提升至0.90（自校准模式），优于理想模式的0.85。
• 在雷达覆盖中心区域（7.3–7.9°经度，43.3–43.7°纬度），自校准方法的RMSE比理想和实测模式均低3 cm/s。
• 自校准模式在性能上达到最优，仅存在≤5°的方位角偏移，而实测模式需进行10°的校正。
• 自校准方法在RMSE和CC方面均优于理想和实测模式，证明了其鲁棒性和实际应用价值。
• 该方法可实现连续、低成本的重新校准，无需额外船舶任务，非常适合长期HFR监测网络。