一种航海雷达图像反演有效波高的方法技术

本发明专利技术公开了一种航海雷达图像反演有效波高的方法，首先利用离线的浮标数据和雷达，通过最小二乘法拟合得到海浪的波峰周期和平均过零周期之间的关系，再通过3D

【技术实现步骤摘要】
一种航海雷达图像反演有效波高的方法


[0001]本专利技术属于利用遥感手段进行海浪参数反演的领域，涉及一种航海雷达图像反演有效波高的方法，特别是一种基于组合策略的航海雷达图像反演有效波高的方法。

技术介绍

[0002]近年来利用X波段航海雷达对海浪进行实时遥测是海洋监测领域的一个研究热点。目前，利用X波段航海雷达图像反演有效波高的两种主要方法分别是谱分析法和阴影法。
[0003]谱分析法是综合利用了海杂波图像的时间和空间信息的算法，该方法通过对连续的海杂波图像进行FFT变换、滤波、积分等操作，最终得到海浪的频率方向谱和信噪比，从海浪的频率方向谱中可进一步得到海浪的波向和频率信息，通过信噪比和有效波高之间的线性关系可计算得到有效波高信息。
[0004]谱分析法的优点在于可以同时得到海浪的多种参数——波向、频率、有效波高，遮挡对谱分析法的影响可以忽略不计，这是许多方法不可比拟的优点。但是谱分析法中信噪比和有效波高之间的系数需要通过浮标实验来确定，这增加了谱分析法的工程应用成本，另外谱方法需要连续的多副图像，算法计算时间较长，这也限制了该方法的应用。
[0005]2014年，挪威海洋物理学家Rune[13]综合前人的研究，明确指出了海杂波主要是由阴影调制产生，并且提出了不需要标定参数的阴影法来计算有效波高。阴影法相比于传统的谱分析法，其最大的优点在于阴影法的计算完全建立在理论推导的基础上，不需要浮标实验来标定相关的系数。另外，阴影法中只需要一幅雷达图像即可进行计算，算法时间成本低，增强了算法的适用性。但是在目前的研究过程中阴影法中海浪的平均过零周期均是由浮标辅助提供的，这一条件限制了阴影法的应用和发展。

技术实现思路

[0006]针对上述现有技术，本专利技术要解决的技术问题是提供一种基于3D
‑
FFT谱分析法和阴影法组合策略的航海雷达图像反演有效波高的方法，解决3D
‑
FFT谱分析法算法计算时间长、工程应用成本高和阴影统计法中波高参数计算依赖浮标数据的问题。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术的一种航海雷达图像反演有效波高的方法，包括以下步骤：
[0008]步骤1：利用离线的浮标数据和雷达，通过最小二乘法拟合得到海浪的波峰周期和平均过零周期之间的关系式；
[0009]步骤2：选定研究区域，通过3D
‑
FFT谱分析法得到选定研究区域的二维海浪谱，从二维海浪谱中获取海浪的波峰周期；
[0010]步骤3：将步骤2得到的海浪的波峰周期代入步骤1得到的海浪波峰周期和平均过零周期之间的关系式，计算得到平均过零周期T
m02
；
[0011]步骤4：在原始雷达图像中选取研究区域，在选定的研究区域中将原始雷达图像径
向维等分为m个子区域；计算区分阴影区与非阴影区的阈值τ
S
；根据τ
S
计算各子区域的阴影比例函数；然后根据阴影比例函数计算得到均方根波陡σ
RMS
；
[0012]步骤5：通过平均过零周期T
m02
和均方根波陡σ
RMS
计算海浪的有效波高H
S
，H
S
满足：
[0013][0014]式中，g为重力加速度。
[0015]进一步的，海浪的波峰周期和平均过零周期之间的关系具体为：
[0016]T
m02
＝aT
M
+b
[0017]式中，T
M
为波峰周期，T
m02
为平均过零周期；
[0018]记离线实验中浮标的平均过零周期序列为T
m02i
，i＝1,2,3...n，对应的通过3D
‑
FFT谱分析法利用雷达数据得到的波峰周期序列记为T
Mi
，i＝1,2,3...n，根据最小二乘法得到：
[0019][0020][0021]式中，和分别是平均过零周期序列和波峰周期序列的平均值。
[0022]进一步的，步骤2包括：
[0023]步骤2.1：通过最近点插值，将原始雷达图像中极坐标下的回波强度值转换到笛卡尔坐标系下对应的点上，记原始雷达图像中某一点的坐标为(r0,θ0)，其转换后对应的笛卡尔坐标为(x0,y0)，插值后得到的雷达图像序列记为η(x,y,t)，转换公式为：
[0024][0025]式中，r0为原始雷达图像中某一点的径向距离，θ0为原始雷达图像中某一点的方位角，x0,y0分别为笛卡尔坐标系的横坐标值和纵坐标值，sqrt( )、round( )和rem( )分别是开平方函数、取整函数、和求余函数；
[0026]步骤2.2：选取的研究区域大小为L
x
*L
y
的笛卡尔框，L
x
,L
y
为笛卡尔框沿x和y方向的范围，雷达图像序列的总时间为T，对雷达图像序列η(x,y,t)进行三维傅里叶变换得到三维图像谱，然后利用变换公式的离散形式将图像序列从时间空间域转化到波数频率域：
[0027][0028]式中，k
x
和k
y
分别为x和y方向的波数，ω为角频率，则分辨率的计算公式为：
[0029][0030]步骤2.3：假设波数处对应的理论频率为ω0，真实频率ω通过色散关系表示，则两者之间插值的平方和为：
[0031][0032]将三维图像谱中的能量值作为权重，得到目标函数为：
[0033][0034]当SSE关于的偏导数均为零时，SSE有最小解，解算出流速为：
[0035][0036]式中，h为水深，g为重力加速度，F为三维图像谱F(k
x
,k
y
,ω)，海表层流波数其中，k
x
,k
y
分别为x和y方向的波数；
[0037]步骤2.4：利用基于色散关系的带通滤波器对三维图像谱进行滤波，采用的滤波器是基于最大流速的带通滤波器：
[0038][0039]式中，E(k
x
,k
y
,ω)为滤波后得到的三维图像谱，其中，
[0040][0041][0042]式中，k为波数，dω为频率分辨率，dk＝(dk
x
＝dk
y
)为波数分辨率，U
max
为最大流速，当B
n
取值为负时，则令B
n
＝0；
[0043]再对滤波后得到的三维图像谱E(k
x
,k
y
,ω)进行频率ω维积分得到二维图像谱I(k
x
,k
y
)：
[0044]I(k
x
,k
y
)＝∫
ω＞0
E(k
x
,k
y
,ω本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种航海雷达图像反演有效波高的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：利用离线的浮标数据和雷达，通过最小二乘法拟合得到海浪的波峰周期和平均过零周期之间的关系式；步骤2：选定研究区域，通过3D
‑
FFT谱分析法得到选定研究区域的二维海浪谱，从二维海浪谱中获取海浪的波峰周期；步骤3：将步骤2得到的海浪的波峰周期代入步骤1得到的海浪波峰周期和平均过零周期之间的关系式，计算得到平均过零周期T
m02
；步骤4：在原始雷达图像中选取研究区域，在选定的研究区域中将原始雷达图像径向维等分为m个子区域；计算区分阴影区与非阴影区的阈值τ
S
；根据τ
S
计算各子区域的阴影比例函数；然后根据阴影比例函数计算得到均方根波陡σ
RMS
；步骤5：通过平均过零周期T
m02
和均方根波陡σ
RMS
计算海浪的有效波高H
S
，H
S
满足：式中，g为重力加速度。2.根据权利要求1所述的一种航海雷达图像反演有效波高的方法，其特征在于：所述海浪的波峰周期和平均过零周期之间的关系具体为：T
m02
＝aT
M
+b式中，T
M
为波峰周期，T
m02
为平均过零周期；记离线实验中浮标的平均过零周期序列为T
m02i
，i＝1,2,3...n，对应的通过3D
‑
FFT谱分析法利用雷达数据得到的波峰周期序列记为T
Mi
，i＝1,2,3...n，根据最小二乘法得到：，i＝1,2,3...n，根据最小二乘法得到：式中，和分别是平均过零周期序列和波峰周期序列的平均值。3.根据权利要求1所述的一种航海雷达图像反演有效波高的方法，其特征在于：所述步骤2包括：步骤2.1：通过最近点插值，将原始雷达图像中极坐标下的回波强度值转换到笛卡尔坐标系下对应的点上，记原始雷达图像中某一点的坐标为(r0,θ0)，其转换后对应的笛卡尔坐标为(x0,y0)，插值后得到的雷达图像序列记为η(x,y,t)，转换公式为：式中，r0为原始雷达图像中某一点的径向距离，θ0为原始雷达图像中某一点的方位角，x0,y0分别为笛卡尔坐标系的横坐标值和纵坐标值，sqrt()、round()和rem()分别是开平方函数、取整函数、和求余函数；步骤2.2：选取的研究区域大小为L
x
*L
y
的笛卡尔框，L
x
,L
y
为笛卡尔框沿x和y方向的范围，雷达图像序列的总时间为T，对雷达图像序列η(x,y,t)进行三维傅里叶变换得到三维图
像谱，然后利用变换公式的离散形式将图像序列从时间空间域转化到波数频率域：式中，k
x
和k
y
分别为x和y方向的波数，ω为角频率，则分辨率的计算公式为：步骤2.3：假设波数处对应的理论频率为ω0，真实频率ω通过色散关系表示，则两者之间插值的平方和为：将三维图像谱中的能量值作为权重，得到目标函数为：当SSE关于的偏导数均为零时，SSE有最小解，解算出流速为：式中，h为水深，g为重力加速度，F为三维图像谱F(k
x
,k
y
,ω)，海表层流波数其中，k
x
,k
y
分别为x和y方向的波数；步骤2.4：利用基于色散关系的带通滤波器对三维图像谱进行滤波，采用的滤波器是基于最大流速的带通滤波器：式中，E(k
x
,k
y
,ω)为滤波后得到的三维图像谱，其中，,ω)为滤波后得到的三维图像谱，其中，式中，k为波数，dω为频率分辨率，dk＝(dk
x
＝dk
y
)为波数分辨率，U
max
为最大流速，当B
n
取值为负时，则令B
n
＝0；再对滤波后得到的三维图像谱E(k
x
,k
y
,ω)进行频率ω维积分得到二维图像谱I(k
x
,k
y
)：I(k
x
,k
y
)＝∫
ω＞0
E(k
x
,k
y
,ω)dω步骤2.5：通过经验调制传递函数将二维图像谱I(k
x
,k
y
)转换为二维海浪谱E(k
x
,k
y
)：
E(k
x
,k
y
)＝|M(k
x
,k
y
)|2·
I(k
x

【专利技术属性】
技术研发人员：卢志忠，亓冠文，郭树渊，张润博，刘凯伦，毛勇峰，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：