船载X波段测波雷达回波图像的预处理方法技术

本发明专利技术涉及一种船载X波段测波雷达回波图像的预处理方法，包括以下步骤：(1)对船舶运动形式进行研究，将船舶在海上的运动状态定义为六个自由度的运动；(2)根据船舶运动状态建立海上运动模型，评估X波段测波雷达回波图像的影响大小；(3)忽略船舶艏摇和横荡的影响；(4)计算接收到的信号电平损失；(5)实时获得实际距离分辨单元与参考距离分辨单元之间的偏移量，并对测波雷达回波图像序列进行校正以满足后续海态参数反演要求。采用该方法，计算方法简单，占用资源少；还适用于红外及可见光海面成像雷达，具有广泛的应用范围。

Preprocessing method of ship borne X band wave radar echo image

The invention relates to a pretreatment method for ship borne X wave band radar echo image, which comprises the following steps: (1) to study the motion of the ship form, the ship in motion definition of sea is six degrees of freedom of movement; (2) the establishment of a maritime motion model according to the ship motion state, the evaluation of X band influence of measuring wave radar echo image size; (3) neglecting the effect of ship sway and sway; (4) calculating the received signal level loss; (5) obtain the actual distance resolution and range resolution reference offset between the units, and the wave of radar echo images were corrected to satisfy the following requirements of sea state parameters inversion. This method is simple in calculation and less in resources. It is also suitable for infrared and visible sea surface imaging radar and has a wide range of applications.

【技术实现步骤摘要】
船载X波段测波雷达回波图像的预处理方法
本专利技术涉及无线电海洋遥感
，尤其涉及X波段雷达海洋遥感
，具体是指一种船载X波段测波雷达回波图像的预处理方法。
技术介绍
X波段电波在随机粗糙海面传播时会与海浪产生散射作用，X波段测波雷达接收后向散射回波，能够从回波信号获取海流、海浪等海洋参数。随着科技的进步、军事的发展，各个国家对海洋安全与海洋环境越来越关注，岸基X波段测波雷达小范围的海洋观测已经不能满足目前发展的需要。目前，为了充分发挥测波雷达的优势以及结合日益增多的船舶优势，各个国家都在大力发展船载X波段测波雷达技术。船载X波段测波雷达随船舶航行在海洋表面，不可避免的会受到海洋表面状态作用而导致船体晃动，而这些晃动可能会对船载X波段测波雷达有如下影响：1)雷达照射区海浪回波谱的频移和展宽。从速度调制的角度看，由于平台运动的速度在各个方向的径向分量不同，导致雷达波束照射不同区域海浪收到的调制不一样，表现为回波谱的多普勒频率不同；从能量角度看，平台的运动破坏了海浪原有的空间相关特性，使其相关时间变短，频谱中回波能量沿方位展开成较宽的展宽谱。2)雷达波束覆盖海区发生变化。不同天线旋转周期中获得的回波空间分布图像反映的不完全是同一观测区域的特征，这主要由平台的平动和转动引起。3)天线波束的摆动。主要由船舶绕水平面两个轴的晃动引起，其直接后果就是引起海面回波强度的变化。这种影响相当于在回波上增加了一个随机的幅度调制，同样会造成回波谱的展宽。船舶运动会导致X波段测波雷达海态参数反演结果与实际结果有一定偏差，因此在利用岸基测波雷达技术来对船载雷达图像进行海态参数反演之前，需要对船载X波段测波雷达回波图像进行相关的预处理。目前国际上船载X波段测波雷达相关报道较少，而且主要方法是直接将岸基测波雷达技术直接应用至船载雷达上，将计算出的海流结果消除船速影响即被认为是真实海流。但此方法只考虑了船舶前行速度而没有考虑其它因素，因此会导致海流以及海浪计算结果偏差较大。至今为止，并没有专门针对船载X波段测波雷达回波图像预处理的方法。本专利技术技术可适用于能对海面/湖面波浪状态进行连续成像的系统，如X波段测波雷达，并且可应用于各种不同X波段雷达机型。本专利技术的核心在船载X波段测波雷达海态信息提取，适用性广，实用性强。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种能够实现对海上船舶运动模型进行分析的基础上，提供了对船载X波段测波雷达回波图像序列进行校正以满足海态参数提取要求的船载X波段测波雷达回波图像的预处理方法。为了实现上述目的，本专利技术的船载X波段测波雷达回波图像的预处理方法具有如下构成：该船载X波段测波雷达回波图像的预处理方法，包括以下步骤：(1)对船舶运动形式进行研究，将船舶在海上的运动状态定义为六个自由度的运动：艏摇、横摇、纵摇、垂荡、横荡和纵荡；(2)根据船舶运动状态建立海上运动模型，在不同运动状态下，对X波段测波雷达回波图像的影响大小进行评估；(3)根据评估结果，将船舶艏摇和横荡的影响忽略不计；(4)基于船舶垂荡和纵荡不影响雷达接收到的信号电平的事实，将船舶看作传输函数，船舶的横摇、纵摇看作船舶对海浪扰动的响应，计算接收到的信号电平损失；(5)实时获得实际距离分辨单元与参考距离分辨单元之间的偏移量，并对测波雷达回波图像序列进行校正以满足后续海态参数反演要求。较佳地，所述的对X波段测波雷达回波图像的影响大小进行评估，具体为：将艏摇和横荡的影响忽略不计，将垂荡定义为最大起伏高度小于20m，并将纵荡定义为船舶以固定船速向前航行，并评估船舶的横摇、纵摇、垂荡和纵荡对雷达回波的影响。较佳地，所述的步骤(4)包括以下步骤：(4-1)根据船舶的水动力设计和Conolly线性方程，将船舶看作传输函数，船舶的横摇、纵摇看作船舶对海浪扰动的响应，所述的Conolly线性方程表达式为：其中，Nψ为无因次阻尼衰减系数，Iψ为横摇相对横摇轴的转动惯量，ΔIψ为附加转动惯量，D为船舶的排水量，h为船体横摇心高，ψ、分别为横摇角、横摇角速度和横摇角加速度，αe为有效波倾角；(4-2)对所述的Conolly线性方程进行拉普拉斯变换，得到船体横摇运动的传递函数：其中，s为拉普拉斯算子；(4-3)将海浪有效波倾角的幅度αe代入所述的体横摇运动的传递函数响应系统，得到船舶的横摇角ψ，根据以下公式计算有效波倾角的幅度αe：其中，γ为浪向角，ωi为离散化的波浪频率，Δω为离散化的海浪频率分辨率；(4-4)利用船舶姿态传感器得到的船舶横摇角ψ(t)、纵摇角根据以下公式计算当测波雷达接收天线倾斜后，接收到的最大信号电平：其中，E为发射水平电磁波极化矢量，分别表示水平方向和垂直方向，r为传播方向，e-jkr/4πr为路径扩散因子；h'为受船舶横摇纵摇影响的接收水平电磁波极化矢量，Voc为天线接收到的最大信号电平，hi为未受船舶横摇纵摇影响的原始接收水平电磁波极化矢量的大小，Ei为发射水平电磁波傅氏场的大小。较佳地，所述的步骤(5)具体为：忽略由船舶晃动而造成的测波雷达回波信号电平损失，根据雷达目标探测原理，并通过设置于船舶的姿态传感器设备得到的横摇角ψ(t)、纵摇角垂荡高度Δh和纵荡速度v，实时获得实际距离分辨单元与参考距离分辨单元之间的偏移量，对回波图像进行相应搬移和插值处理，使不同时刻各个分辨单元对应的实际海面位置在空间上对齐并对测波雷达回波图像序列进行校正。较佳地，所述的海态参数反演，具体为：船载X波段测波雷达天线架设高度已知，雷达有效探测范围为600～4000m，对收集的N帧回波图像序列进行三维回波图像序列谱分析，其中，N取值为2m，m取值为大于或等于4的正整数，图像距离单元分辨率取值为7.5m较佳地，所述的步骤(5)后还包括步骤(6)：(6)将岸基测波雷达海态参数提取方法应用至经过校正的图像序列，以去除船体运动对测波雷达的影响。采用了该专利技术中的船载X波段测波雷达回波图像的预处理方法，发展了船载X波段测波雷达技术，为运动平台下的X波段测波雷达提供了一种新方法；计算方法简单，占用资源少；利用小型X波段雷达作为探测工具，具有全天候、低成本等优点；不仅适用于X波段测波雷达，还适用于红外及可见光海面成像雷达，具有广泛的应用范围。附图说明图1本专利技术的船舶海面运动坐标系示意图。图2本专利技术的最小船舶体积假设条件下的船体横摇、纵摇角。图3本专利技术的由于极化方式失配造成的电平损失随倾斜角变化情况的示意图。图4本专利技术的船体垂荡过程中雷达天线高度变化与海面回波位置对应关系的示意图。图5本专利技术的船体横摇过程中雷达天线偏移与海面回波位置对应关系的示意图。图6本专利技术的船体纵摇过程中雷达天线偏移与海面回波位置对应关系的示意图。图7本专利技术的船体前行过程海面回波位置的示意图。图8本专利技术的船体航行过程中雷达探测区域距离单元变化的示意图。图9本专利技术的未受船舶运动影响的雷达回波频谱与回波校正后频谱的对比图。图10本专利技术的船载X波段测波雷达回波图像的预处理方法的流程示意图。具体实施方式为了能够更清楚地描述本专利技术的
技术实现思路
，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。该船载X波段测波雷达回波图像的预处理方法，包括以下步骤：(1)对船舶运动形式进行研究，将船舶在海上的运动状态定义为六本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种船载X波段测波雷达回波图像的预处理方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)对船舶运动形式进行研究，将船舶在海上的运动状态定义为六个自由度的运动：艏摇、横摇、纵摇、垂荡、横荡和纵荡；(2)根据船舶运动状态建立海上运动模型，在不同运动状态下，对X波段测波雷达回波图像的影响大小进行评估；(3)根据评估结果，将船舶艏摇和横荡的影响忽略不计；(4)基于船舶垂荡和纵荡不影响雷达接收到的信号电平的事实，将船舶看作传输函数，船舶的横摇、纵摇看作船舶对海浪扰动的响应，计算接收到的信号电平损失；(5)实时获得实际距离分辨单元与参考距离分辨单元之间的偏移量，并对测波雷达回波图像序列进行校正以满足后续海态参数反演要求。

【技术特征摘要】
1.一种船载X波段测波雷达回波图像的预处理方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)对船舶运动形式进行研究，将船舶在海上的运动状态定义为六个自由度的运动：艏摇、横摇、纵摇、垂荡、横荡和纵荡；(2)根据船舶运动状态建立海上运动模型，在不同运动状态下，对X波段测波雷达回波图像的影响大小进行评估；(3)根据评估结果，将船舶艏摇和横荡的影响忽略不计；(4)基于船舶垂荡和纵荡不影响雷达接收到的信号电平的事实，将船舶看作传输函数，船舶的横摇、纵摇看作船舶对海浪扰动的响应，计算接收到的信号电平损失；(5)实时获得实际距离分辨单元与参考距离分辨单元之间的偏移量，并对测波雷达回波图像序列进行校正以满足后续海态参数反演要求。2.根据权利要求1所述的船载X波段测波雷达回波图像的预处理方法，其特征在于，所述的对X波段测波雷达回波图像的影响大小进行评估，具体为：将垂荡定义为最大起伏高度小于20m，并将纵荡定义为船舶以固定船速向前航行，并评估船舶的横摇、纵摇、垂荡和纵荡对雷达回波的影响。3.根据权利要求1所述的船载X波段测波雷达回波图像的预处理方法，其特征在于，所述的步骤(4)包括以下步骤：(4-1)根据船舶的水动力设计和Conolly线性方程，将船舶看作传输函数，船舶的横摇、纵摇看作船舶对海浪扰动的响应，所述的Conolly线性方程表达式为：其中，Nψ为无因次阻尼衰减系数，Iψ为横摇相对横摇轴的转动惯量，ΔIψ为附加转动惯量，D为船舶的排水量，h为船体横摇心高，ψ、分别为横摇角、横摇角速度和横摇角加速度，αe为有效波倾角；(4-2)对所述的Conolly线性方程进行拉普拉斯变换，得到船体横摇运动的传递函数：其中，s为拉普拉斯算子；(4-3)将海浪有效波倾角的幅度α...

【专利技术属性】
技术研发人员：王立，刘辛宇，华寅，洪丽娟，成云飞，李明，黄思婕，
申请(专利权)人：公安部第三研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31