一种基于X波段导航雷达图像的有效波高反演方法技术

本发明专利技术涉及图像反演技术领域，具体涉及一种基于X波段导航雷达图像的有效波高反演方法；步骤为：根据采集的原始导航雷达图像分别选取谱分析技术和阴影统计法的分析区域；对阴影统计法的分析区域进行边缘检测，得出阴影分割阈值；利用雷达图像的阴影分割阈值获取阴影图像，进而计算分析区域中的阴影比例，得出阴影比例函数；根据史密斯函数和阴影比例函数进行均方根波陡的计算，得到均方根波陡；基于谱分析技术计算雷达图像序列的波数频率谱，利用色散带通滤波器对其进行滤波处理，得到海浪谱，提取主波波数；根据均方根波陡和主波波数得出有效波高。本发明专利技术的目的是解决现有波高反演方法需要外部参考设备进行标定，导致反演波高的精度低的问题。高的精度低的问题。

An effective wave height inversion method based on X-band navigation radar image

【技术实现步骤摘要】
一种基于X波段导航雷达图像的有效波高反演方法


[0001]本专利技术涉及图像反演
，具体涉及一种基于X波段导航雷达图像的有效波高反演方法。

技术介绍

[0002]利用导航雷达可以反演海浪的有效波高、波峰峰向和主波周期等参数。目前，通过导航雷达反演有效波高的算法有谱分析法、阴影法和正交分解法等，但在工程实践中应用的主要是基于三维傅里叶变换的谱分析法。
[0003]谱分析法是选取雷达图像序列中的特定区域进行三维傅里叶变换得到图像谱，然后基于色散带通滤波器提取出海浪谱，进而获取海浪信号的信噪比，最后利用有效波高与信噪比均方根之间的线性经验关系来估测有效波高。
[0004]在实际应用中，有效波高与信噪比的均方根之间并不是完全呈线性关系，而且这种基于线性关系表示的方法需要外部专用设备如浮标来进行标定。此外，需要大量有效观测数据进行标定，才能使反演的有效波高满足精度要求，从而大大增加研发成本和周期。更重要的是，由于雷达系统的差异、海域环境的变化、信噪比计算方法不同等因素的影响，特别是在近岸海域海底地形复杂，以及海岸线、岛屿等对海浪的反射、衍射等影响，对于每部雷达以及不同海域都需要重新标定系数。因此，在实际应用中严重影响了谱分析法的广泛使用。
[0005]同时，阴影统计法由于具有无需外部参考设备进行标定的优势，但是，在利用阴影统计法反演波高过程中需使用波周期，而波周期通常由外部参考设备如浮标提供。此外，在利用波高、波陡和波周期之间的关系反演有效波高的过程中，通常假定海浪满足一阶色散关系且忽略了水深、海表层流对波高反演的影响，与实际应用的情况不符，不能使反演的有效波高满足精度的要求。

技术实现思路

[0006]针对现有技术存在的不足，本专利技术提出一种基于X波段导航雷达图像的有效波高反演方法，以解决现有波高反演方法需要外部参考设备进行标定、水深和海表层流等因素对波高反演的影响，导致反演波高的精度低的问题。
[0007]为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于X波段导航雷达图像的有效波高反演方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0008]采集原始导航雷达图像，根据原始导航雷达图像分别选取基于谱分析技术的分析区域和阴影统计法的分析区域；
[0009]对选取的所述基于阴影统计法的分析区域进行边缘检测，得出雷达图像的阴影分割阈值；
[0010]利用雷达图像的阴影分割阈值获取阴影图像，进而计算分析区域中的阴影比例，得出每个分区的阴影比例函数；
[0011]根据史密斯函数和所述阴影比例函数进行均方根波陡的计算，得到均方根波陡；
[0012]对选取的所述基于谱分析技术的分析区域图像序列进行三维傅立叶变换后得到波数频率谱，利用色散带通滤波器对其进行滤波处理，再通过调制传递函数修正后得到海浪谱，提取主波波数；
[0013]根据所述均方根波陡和所述主波波数，得出有效波高。
[0014]优选的，选取所述基于谱分析技术的分析区域时，选取的分析区域至少包含3个完整的海浪波形。
[0015]优选的，对选取所述基于阴影统计法的雷达图像分析区域进行边缘检测的具体步骤为：
[0016]对雷达图像I(r,θ)在相邻的8个方向上分别基于差分算子进行卷积运算，得到不同方向上的梯度图像I
i
；
[0017]选取前N％对应的所述雷达图像的像元值作为阈值T
i
，对得到的梯度图像I
i
进行边缘提取；
[0018]边缘提取的计算公式为：
[0019][0020]通过将八个不同方向上提取的边缘图像进行叠加，得到完整的边缘图像；
[0021]完整的边缘图像的计算公式为：
[0022][0023]优选的，所述雷达图像阴影分割阈值的具体计算步骤为：
[0024]将所述边缘图像I
T
的每一个孤立的1，找到在该位置处原始导航雷达图像的像元值η，通过边缘图像与原始导航雷达图像之间的对应关系建立一个图像直方图函数F
H
(η)，对F
H
(η)取众数，得到阴影分割阈值τ
S
；
[0025]阴影分割阈值τ
S
计算公式为：
[0026]τ
S
＝mod e(F
H
(η))
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)。
[0027]优选的，得出所述每个分区的阴影比例函数的具体步骤为：
[0028]利用所述阴影阈值τ
S
将原始导航雷达图像分割成阴影区和非阴影区，阴影图像I
s
的计算公式为：
[0029][0030]将所述阴影图像在方位向上分割成区，并将阴影图像按35～50m的径向步长平均分割为固定的块数；
[0031]通过计算每个分割块中的阴影比例，得到每个分区的阴影比例函数S(θ)。
[0032]优选的，得到所述均方根波陡的具体步骤为：
[0033]将所述边缘图像分割区的每一块阴影比例函数S(θ)拟合估计，得到每个分区的均方根波陡σ
rms
；
[0034]将方位向上每个分区中的波陡进行平均，得到平均均方根波陡，其计算公式如下：
[0035][0036]其中，M为阴影图像分割成的区的总数。
[0037]优选的，所述雷达图像序列的波数频率谱的具体计算步骤为：
[0038]将所述选取的分析区域雷达图像序列η(x,y,t)进行三维傅里叶变换得到
[0039]三维波数频率图像谱F(k
x
,k
y
,ω)，其计算公式为：
[0040][0041]其中，L
x
*L
y
为选取的分析区域，雷达图像序列总时间为T；为波数，ω为角频率；三维波数频率能量谱的表达式为：
[0042][0043]优选的，利用所述色散带通滤波器对其进行滤波处理的具体步骤为：
[0044]对所述雷达图像序列进行三维傅里叶变换后，得到三维波数频率图像谱，假定在选定的区域内，海表面的浪场在空间上匀质和在时间上平稳；
[0045]在线性波理论基础下，海浪满足的色散关系为：
[0046][0047]其中，g为重力加速度，为波数，λ为海浪波长，d为水深；为相对于雷达天线平台运动的海表层流，
[0048]所述通过调制传递函数修正后得到海浪谱的具体步骤为：
[0049]对三维波数频率能量谱I(k
x
,k
y
,ω)进行滤波处理后，对频率ω进行积分得到二维图像谱I(k
x
,k
y
)，利用经验调制传递函数对二维图像谱I(k
x
,k
y
)进行修正：
[0050]E(k
x
,k
y
)＝|M(k
x
,k<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于X波段导航雷达图像的有效波高反演方法，其特征在于，包括以下步骤：采集原始导航雷达图像，根据原始导航雷达图像分别选取基于谱分析技术的分析区域和阴影统计法的分析区域；对选取的所述基于阴影统计法的分析区域进行边缘检测，得出雷达图像的阴影分割阈值；利用雷达图像的阴影分割阈值获取阴影图像，计算分析区域中的阴影比例，得出每个分区的阴影比例函数；根据史密斯函数和所述阴影比例函数进行均方根波陡的计算，得到均方根波陡；对选取的所述基于谱分析技术的分析区域图像序列进行三维傅立叶变换后得到波数频率谱，利用色散带通滤波器对其进行滤波处理，再通过调制传递函数修正后得到海浪谱，提取主波波数；根据所述均方根波陡和所述主波波数，得出有效波高。2.根据权利要求1所述的基于X波段导航雷达图像的有效波高反演方法，其特征在于，选取所述基于谱分析技术的分析区域时，选取的分析区域至少包含3个完整的海浪波形。3.根据权利要求2所述的基于X波段导航雷达图像的有效波高反演方法，其特征在于，对选取所述基于阴影统计法的雷达图像分析区域进行边缘检测的具体步骤为：对雷达图像I(r,θ)在相邻的8个方向上分别基于差分算子进行卷积运算，得到不同方向上的梯度图像I
i
；选取前N％对应的所述雷达图像的像元值作为阈值T
i
，对得到的梯度图像I
i
进行边缘提取；边缘提取的计算公式为：通过将八个不同方向上提取的边缘图像进行叠加，得到完整的边缘图像；完整的边缘图像的计算公式为：4.根据权利要求3所述的基于X波段导航雷达图像的有效波高反演方法，其特征在于，所述雷达图像阴影分割阈值的具体计算步骤为：将所述边缘图像I
T
的每一个孤立的1，找到在该位置处原始导航雷达图像的像元值η，通过边缘图像与原始导航雷达图像之间的对应关系建立一个图像直方图函数F
H
(η)，对F
H
(η)取众数，得到阴影分割阈值τ
S
；阴影分割阈值τ
S
计算公式为：τ
S
＝mode(F
H
(η))
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)。5.根据权利要求1或3所述的基于X波段导航雷达图像的有效波高反演方法，其特征在于，得出所述每个分区的阴影比例函数的具体步骤为：利用所述阴影阈值τ
S
将原始导航雷达图像分割成阴影区和非阴影区，阴影图像I
s
的计
算公式为：将所述阴影图像在方位向上分割成区，并将阴影图像按35～50m的径向步长平均分割为固定的块数；通过计算每个分割块中的阴影比例，得到每个分区的阴影比例函数S(θ)。6.根据权利要求5所述的基于X波段导航雷达图像的有效波高反演方法，其特征在于，得到所述均方根波陡的具体步骤为：将所述边缘图像分割区的每一块阴影比例函数S(θ)拟合估计，得到每个分区的均方根波陡σ
rms
；将方位向上每个分区中的波陡进行平均，得到平均均方根波陡，其计算公式如下：其中，M为阴影图像分割成的区的总数。7.根据权利要求6所述的基于X波段导航雷达图...

【专利技术属性】
技术研发人员：卫延波，陈菲，张莹文，雷毅飞，连瑞瑶，石睿，
申请(专利权)人：洛阳师范学院，
类型：发明
国别省市：