高频地波雷达海洋环境监测技术是一种正在迅速发展中的无线电海洋遥感技术。它利用高频垂直极化电磁波沿海水表面绕射传播时能量衰减较小的特性,将高频大功率信号掠入射到海面上,其中波长等于1/2雷达工作波长、指向或背向雷达的两列海浪会对雷达电波产生最强的后向散射,这种海浪对雷达电波的散射类似于X射线入射到晶格上产生的Bragg谐振散射,被称为Bragg散射或-阶散射。海洋表面状态及其变化特征反映在海浪回波多普勒谱中,利用Barrick建立的一阶散射截面方程和二阶散射截面方程来分析这些多普勒谱,便可反演得到海面风、浪、流等海洋动力学参数。高频地波雷达用于海洋环境监测具有覆盖范围大、探测精度高、造价适度、运行费用低、实时性好、可全天候工作等优点,并且能探测到视距以外的海域,被认为是最理想的海洋环境监测设备之一。与传统单频工作的高频地波雷达相比,多频率同时工作的高频地波雷达抗干扰能力和自校正能力显著增强,回波所包含的海洋动力学信息大大增加。在海流探测方面,可同时探测获得多种尺度、不同深度的海洋表面流结果；在风场探测方面,由多频海洋回波可以提取较高精度的风速风向信息；在海浪探测方面,利用变频雷达可以选择雷达的最优工作频率,反演得到更准确的浪高、浪周期结果。研制可多频率同时工作的高频地波雷达系统是目前高频地波雷达发展的主要趋势。研究多频率高频地波雷达的海态反演理论、开发一种实时有效的多频率海态参数反演方法也是高频地波雷达海洋环境监测领域的主要研究方向。在“十一五”国家863计划重大项目——“变频多功能新型高频地波雷达”的支持下,课题组研制完成了能够多频准同时工作、具有小型天线阵的岸基变频高频地波雷达工程样机。本文的研究内容与该项目紧密地相结合,研究变频高频地波雷达海态反演、多频数据融合的理论与方法,充分发挥变频高频地波雷达工作频率多、回波数据丰富的优势,获得稳定可靠的浪场、风场、流场信息,并最终将该方法应用于变频高频地波雷达系统中。结合研究目标,本文以变频高频地波雷达海态反演理论与方法的研究作为出发点,在高频雷达海面散射机理、海洋回波多普勒谱的估计、海浪反演算法、海面风场反演算法、海流提取算法以及多频数据融合算法等方面进行了广泛而深入的研究。在总结国内外优秀研究成果的基础上,通过改良、优化与创新,并研究多频数据融合技术,得到了一套适合变频高频地波雷达的海态反演算法。本文首先对高频雷达海洋遥感基本理论,特别是高频电磁波与粗糙海面的-阶及二阶散射机理进行了研究,实现了高频雷达海洋回波谱的数值模拟,并且分析讨论了变频高频地波雷达用于海洋环境监测的优势。通过对电磁波散射机理、雷达散射方程以及回波数值模拟结果的研究,将反演理论与实际应用方法相结合,剖析了变频高频地波雷达海态参数反演的关键问题,即如何才能提高变频高频地波雷达海态参数反演的准确性。其次,结合变频高频地波雷达海态参数反演的关键性问题,研究了功率谱与空间谱估计的基本理论。针对变频高频地波雷达的系统特点,指出了最适合变频高频地波雷达的谱估计方法,为海态参数的准确反演奠定了基础。随后,深入研究了变频高频地波雷达海态参数反演的基本理论与方法：1)在海浪参数反演方面,研究并总结了国际上最为常用的浪高、平均浪周期与海浪谱的反演方法,在对多种反演算法进行详细比较与分析的基础上,指出了各种方法的优缺点与适用条件。针对变频高频地波雷达浪高参数的反演方法,采用最小方差法对变频雷达测量结果与波浪骑士现场观测结果进行拟合处理,得到了一组适用于变频高频地波雷达各工作频段的浪高反演参数集。2)在海面风场反演方面,对几种国际上较为成熟的高频雷达海面风速与风向反演方法进行了研究,分析了各种方法的特性。通过理论分析,得到了风向反演算法的基本条件——雷达工作频率与海面最小风速的基本关系。通过分析风速与风向反演过程中的关键点,对比模拟和实测结果,得到了适合变频高频地波雷达的风速与风向反演方法。3)在海流参数反演方面,研究了高频地波雷达海流提取的基本方法,特别是对海流提取算法中的关键点——方位角的估计问题,并详细介绍了基于MUSIC算法的海洋表面流提取方法的数据处理流程。4)阐述了变频高频地波雷达海态反演算法的数据处理流程,重点介绍了数据预处理过程中关键模块的处理方法,主要包括：两次FFT运算、海洋回波谱估计、抗干扰处理、一阶谱与二阶谱分离等。5)依据Barrick二阶散射截面方程成立的基本条件,研究并实现了变频高频地波雷达多频海浪、海风、海流反演结果的数据融合方法。其中,对多频浪高参数的数据融合方法进行了重点研究。最后,将变频高频地波雷达海浪、风速、风向与径向流参数的测量结果分别与波浪骑士、风速风向仪与ADCP等现场观测结果进行了比对分析,分析讨论了测量误差产生的原因,并将变频高频地波雷达与国外同类雷达系统所测结果的误差参数进行了比较。对比验证结果表明,变频高频地波雷达具有良好的海态参数反演性能。