类型a：学术研究报告

作者及发表信息

本研究由Harm W. Melief（荷兰TNO物理与电子实验室）、Harm Greidanus（欧盟委员会联合研究中心）、Piet van Genderen（荷兰代尔夫特理工大学国际电信与雷达研究中心）及Peter Hoogeboom（TNO物理与电子实验室兼代尔夫特理工大学）共同完成，发表于IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing期刊2006年4月第44卷第4期。

学术背景

研究领域：本研究属于雷达海洋遥感领域，聚焦于高分辨率、相干（coherent）及极化（polarimetric）雷达海杂波（sea clutter）数据分析，特别是针对海尖峰（sea spikes）现象的物理机制与建模。

研究动机：传统海杂波理论认为海杂波由两部分组成——倾斜调制的布拉格散射（tilt-modulated Bragg scattering）和海尖峰。海尖峰具有高极化比（polarization ratio）和高多普勒速度（Doppler velocity）的特征，但其物理成因（如与破碎波的联系）及动态特性（如速度模型）尚未充分研究。

研究目标：
1. 通过三组高分辨率雷达数据集，分析海尖峰的功率、极化与速度特性；
2. 验证海尖峰与破碎波（breaking waves）的关联性；
3. 开发基于物理过程的统计与动态模型，解释观测结果。

研究流程与方法

数据集：
研究使用英国QinetiQ公司提供的三组X波段（9.75 GHz）Maritime Clifftop Radar (MCR)数据，分辨率50 cm，极化方式为HH/VV切换。数据采集于1999年2月英国波特兰海岸，雷达架设于50米高的悬崖，观测范围1–2 km，风速6 m/s，海况2–3级。

分析流程：
1. 数据预处理：
- 生成功率-距离-时间图（power-range-time diagrams）、极化比图（HH/VV差值）及多普勒速度图（基于相位信息）。
- 校准极化数据，但未进行绝对定标。

1. 海杂波组分分离：

   • 使用恒虚警算法（CFAR）区分背景（布拉格散射）与海尖峰。阈值设为背景均值+3倍标准差，共识别4668（数据集1）、5035（数据集2）和8808（数据集3）个海尖峰事件。
     

2. 物理特性分析：

   • 背景散射：通过傅里叶分析提取波浪谱，计算主导波波长（1.0–4.0 m）及相速度（1.9 m/s），并分离电流（0.8 m/s）与风漂（0.15 m/s）的影响。
     
   • 海尖峰：分析其时空演化（持续时间0.15–0.45 s）、极化比（>0 dB）及多普勒速度（峰值1–2 m/s）。通过轨道速度模型反推破碎波波长（0.5–4.0 m）。
     

3. 模型验证：

   • 动态模型：基于Longtank模拟的破碎波剖面，验证海尖峰的功率、极化比与速度的时序关系（图4 vs 图6）。
     
   • 统计模型：开发海洋表面模型，通过波浪陡度（steepness, ak=0.35）和群过程（group processes）预测破碎波波长分布，与实测数据吻合（图5 vs 图7）。
     

主要结果

1. 海杂波双组分特性：

   • 背景散射：表现为低功率（HH比VV低10 dB）、低极化比（−8 dB）和低多普勒速度（1.2 m/s），符合布拉格散射理论。
     
   • 海尖峰：高功率（HH≈VV）、高极化比（>0 dB）和高速度（1–4 m/s），与破碎波的散射机制一致。
     

2. 破碎波关联证据：

   • 时序匹配：海尖峰的功率与速度峰值滞后于波浪陡化阶段，对应破碎波喷射（jet）形成过程（图4）。
     
   • 统计匹配：破碎波波长分布峰值1.0 m（数据集1）和0.6 m（数据集3），与模型预测一致（图5, 7）。
     

3. 模型创新：

   • 首次将多普勒速度作为破碎波相速度的代理变量，通过反演波长分布验证了群过程触发破碎的假设。
     

结论与价值

科学意义：
1. 明确了海尖峰的物理机制为破碎波的镜面反射（specular reflection）与湍流散射；
2. 提出了基于速度的破碎波统计分析方法，弥补了传统功率-极化模型的不足。

应用价值：
1. 为雷达海洋遥感中的目标检测（如舰船）提供杂波抑制的理论依据；
2. 支持海洋表面动力过程（如波浪破碎率）的遥感反演。

研究亮点

1. 方法创新：首次结合多普勒速度与极化数据解析海尖峰动态特性；
   
2. 跨学科验证：通过流体力学（Longtank模拟）与电磁散射（射线追踪/矩量法）模型交叉验证观测结果；
   
3. 高分辨率数据：50 cm分辨率揭示了亚米级破碎波的雷达响应。
   

其他价值

• 揭示了微破碎波（microbreakers）对背景极化比的贡献（−5 dB vs 理论值−15 dB）；
  
• 提出了波浪群相互作用触发破碎的阈值条件（ak>0.35），为海洋数值模型提供参数化方案。