工作在分米波段的超高频雷达具有较高的距离分辨率,较小的天线口径和便携式的固有结构特点,可以有效地探测河流流速、流量等水动力学参数,同时其在理论上可以弥补高频雷达和X波段雷达的探测盲区,对近海水动力学参数也拥有较高的探测潜力。此外,超高频雷达结合波槽缩比实验,可以间接分析海浪Bragg和非Bragg散射机理。因此,超高频雷达可为河流和海洋水动力学参数提供一个可靠的非接触式测量手段。基于水波Bragg散射理论,超高频雷达河流探测机理已经比较成熟,但是现有的雷达系统在工程化应用时,存在硬件结构复杂、建站环境要求高、阵列通道校准实施难度大等缺陷,无法适应现代水文的全天候在线式测量需求。对于海洋水动力学参数探测,由于频段不满足经典电磁散射理论的有效范围,无法建立回波谱与海态之间的联系,尚且缺乏可靠的反演机理。在海浪Bragg和非Bragg散射机理研究中,到目前为止仅局限于波槽实验现象的初步解释,对于散射截面、散射角、多普勒频移与周期水波波高、波周期、入射波长之间的内在关系缺乏深入的理论研究。针对上述问题,本文在现有雷达系统的基础上,重新设计了一套紧凑结构全数字多通道超高频雷达系统,并基于河流回波特点,提出了一套线性阵列幅相误差自校准算法,进一步推进了超高频雷达河流探测的工程化应用进程;随后结合理论、数值分析和雷达波槽实验结果,深入研究了海浪的Bragg和非Bragg散射机理和多普勒频移特性;最后从数值仿真和外场实验观测两个方面出发,重点分析了超高频雷达海洋回波谱对海态变化的响应,为超高频雷达海洋水动力学参数探测奠定了理论基础。本文的具体工作和相关结论包括以下方面:1.研制了一套全数字多通道超高频雷达系统RISMAR-U,给出了雷达硬件系统、逻辑电路和软件系统的详细设计和实现过程。RISMAR-U使用直接射频采样、全数字脉冲压缩、分布式软件结构、4G网络数据传输、太阳能与交流电互补供电、远程状态监测和电源管理等技术,大大简化了系统结构和对建站环境的要求,可实现一体化无人值守建站模式。在实验室环境下对系统各项指标的测试结果表明RISMAR-U具有高于100d B的整机动态范围、低于155d Bm/Hz的模拟通道灵敏度、大于55d B的通道隔离度以及低于0.006d B和0.04度的幅度和相位稳定度。2.提出了RISMAR-U河流径向流场、矢量流场、断面流速和流量反演的完整技术方案,根据河流流速的几何分布特征,设计了一套线性阵列自校准算法,可利用河流回波实时校准阵列幅相误差,进一步降低了RISMAR-U工程实施的复杂度。为了验证RISMAR-U综合性能、探测精度和阵列无源校准算法的稳健性,本文与传统接触式河流流速、流量测量手段进行了数次外场比测实验,在顺直河道、弯道和更为复杂的河道中,RISMAR-U均取得了较高的长期比测精度。3.从数值模拟、理论分析和外场实验三个方面探索了周期水波Bragg和非Bragg散射机理以及多普勒频移特征,使用矩量法数值计算了周期水波散射截面和多普勒谱,使用微扰法推导了散射波第n阶扰动解的一般形式,设计并实施了雷达波槽缩比实验,使用RISMAR-U测量了周期水波回波多普勒谱。其中波槽观测结果表明,当水波波长为Bragg波长的整数倍时,会发生后向散射增强,且在多普勒谱中出现等频率间隔的多重谐波。但数值模拟显示,除了与水波相速度有关的多普勒谱峰外,其余的谐波均由波槽边界效应引起。理论分析、数值模拟和波槽实验均表明周期水波散射场由一系列平面波组成,散射角可通过水波长和入射波长之间的比值确定,且散射截面与波高之间存在明确的指数关系。4.数值分析了一维海面在高频、甚高频和超高频波段的多普勒谱渐变特性,为了处理完全掠入射问题,将粗糙面转化为局部扰动平面,将激发非相干散射波的表面电流视为未知量,使用矩量法求解改进的表面积分方程。通过在高频段与微扰法的对比,验证了改进散射模型的有效性,同时在多普勒谱域定量评估了微扰法的适用范围。随后重点分析了不同波段、不同海况下的多普勒频谱特性,比较了不同的非线性海浪模型对多普勒谱的影响。5.对岸基超高频雷达二维海面后向散射截面和多普勒谱特性进行了实验和数值研究,采用小斜率近似和尖波模型数值计算了非线性海面后向散射截面和多普勒谱,并使用RISMAR-U实测了不同海态下的海面回波信息。在补偿风向影响后,雷达回波功率和数值预测的散射截面对风速的响应基本一致,均在低海态下更为敏感。整个实验期间,雷达测量与数值模拟的多普勒谱相关系数超过0.96。随着海态的上升,高阶谱峰强度迅速增加,而Bragg谱峰强度却略有下降,多普勒谱的整体形状展宽的更加平坦。海洋表面流对回波谱的影响与高频雷达一致,探测区域内的表面径向流将产生整体的多普勒谱频移。