一种从X波段导航雷达图像反演有效波高的方法技术

本发明专利技术涉及海浪参数反演的技术领域，且公开了一种从X波段导航雷达图像反演有效波高的方法，测量方法包含从雷达图像中选取分析区域、估计阴影分割阈值、构建波陡特征向量和反演有效波高四个部分，发明专利技术提出反演有效方法的具有无需外部参考设备如浮标进行标定就能够完成有效波高反演的任务，有利于降低研发成本，其次在阈值选取过程中考虑了雷达回波随距离衰减的特性，选取的阈值能够随着距离雷达天线的距离动态变化，能够较准确的将原始雷达图像中的阴影区和非阴影区分割开来，进而提高有效波高的反演精度，针对在近岸区域海浪呈现较强的非平稳和非匀质特性，提出一种利用构建的均方根波陡特征向量和经典的支持向量回归技术来反演有效波高的方法。术来反演有效波高的方法。

【技术实现步骤摘要】
一种从X波段导航雷达图像反演有效波高的方法


[0001]本专利技术涉及海浪参数反演的
，特别是指一种从X波段导航雷达图像反演有效波高的方法。

技术介绍

[0002]波浪是海洋物理的重要组成部分。在海洋开发过程中，需要了解海洋环境的演变规律。随着海洋遥感技术的快速发展，近年来利用X波段导航雷达对大面积海浪进行实时测量和监测是研究的热点，有效波高是研究波浪场的关键技术指标和表征波能量的一个重要参数，目前，从X波段雷达图像中提取有效波高的主要方法是基于传统三维快速傅里叶变换的谱分析法和基于雷达图像中阴影特征的阴影统计法。
[0003]在基于阴影统计法从X波段导航雷达图像反演有效波高的过程中，需要估计出雷达图像中的阴影分割阈值，而现有的方法估计的阈值随机性较大，选取的阈值不准确将会降低阴影图像分割的准确度，进而降低有效波高的反演精度。
[0004]此外，导航雷达图像中的回波强度会随着与风向夹角的变化而不同，在不同方位向上，随着掠入射的电磁波与海面风向之间的夹角不同，海杂波的回波强度不同，致使海杂波图像在不同方位上呈现出较大的差别，导航雷达图像的回波强度与局部海面风向有紧密的关系，在风对着雷达观测方向吹(逆风)时，归一化雷达后向散射回波强度最大，在近岸区域受周围地形环境和季风特征的影响，通常无法选取后向散射回波强度最大的区域用于反演有效波高。

技术实现思路

[0005]本专利技术提出一种从X波段导航雷达图像反演有效波高的方法，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0007]一种从X波段导航雷达图像反演有效波高的方法，包括如下步骤：
[0008]S1：选取雷达图像分析区域及预处理；
[0009]S2：计雷达图像阴影分割阈值：
[0010]所述S2分为、
[0011]A1、雷达图像阴影边缘检测；A2、计算雷达图像的自适应阴影分割阈值；
[0012]S3：构建均方根波陡特征向量；
[0013]所述S3分为、
[0014]B1、估计均方根波陡；B2、构建特征向量；
[0015]S4：计算有效波高。
[0016]优先的，所述S1中，先选取有较大的有效回波区域雷达图像，再对雷达图像中分析区域方位向上进行稀疏化处理，使得雷达图像的线数在角度向上分布均匀以及使相邻两条线之间的差异变大，所述A1雷达图像阴影边缘检测，包括先通过将雷达图像像元分别与简
单差分算子在其附近的8个领域内进行卷积运算得到8个方向上的边缘梯度，取前10％的像素值作为梯度阈值对边缘梯度进行图像边缘提取，通过将滤波处理后的8个方向的边缘梯度图像进行叠加得到一幅边缘图像；
[0017]所述A2计算雷达图像的自适应阴影分割阈值，包括确定距离向最佳分割块数以及利用多项式曲线对每个分块区域内的阴影分割阈值进行拟合，得到单幅雷达图像的阴影分割阈值τ
S
。
[0018]优先的，所述B1估计均方根波陡，主要利用A2求得的雷达图像阴影分割阈值τ
S
将原始雷达图像分割成阴影区和非阴影区，阴影图像I
s
为
[0019][0020]将阴影图像在方位向上按照每10
°
间隔分割成区，并将阴影图像按35～50m的径向步长平均分割为固定的50块，通过计算每个分割块中的阴影比例，从而在每个分区得到关于掠射角θ的阴影比例函数S(θ)，根据随机粗糙面几何阴影中照度概率与阴影比例函数的关系，则照度概率L(θ)为：
[0021]L(θ)＝1
‑
S(θ)
[0022]基于史密斯拟合函数，通过对上述每一块照度概率函数L(θ)拟合估计得到每个分区当中的均方根波陡σ
rms
，雷达以入射角θ照射海面上的一点，得到的照度概率L(θ)为：
[0023][0024]其中，
[0025][0026]μ＝cot(θ)
[0027]式中σ
rms
为均方根波陡，erfc(x)为余补误差函数。
[0028]优先的，所述B2构建特征向量中，将在每个方位分区中提取的波陡和波周期组成特征向量x，基于史密斯拟合函数，对方位向上每个分区中的照度概率进行拟合能够得到每个分区的均方根波陡σ
rms
，若第m个分区的均方根波陡为则本专利技术构建的特征向量为
[0029][0030]其中M为阴影图像分割成的区的总数，T
m02
为跨零波周期。
[0031]优先的，所述S4中，利用构建的均方根波陡特征向量和经典模型支持向量回归模型ε
‑
SVR从X波段导航雷达图像反演有效波高的方法。估计的有效波高为
[0032][0033]式中，Φ(x)为映射函数，ω为权重系数向量，b为偏置参数。
[0034]对于训练集中的样本点(x
i
,y
i
)，y
i
为与特征向量对应的波高真值，其中n为样本点个数，经典模型ε
‑
SVR算法通过最小化总损失和最大化间隔来实现。ε
‑
SVR模型最小化的目标函数为
[0035][0036]使得满足
[0037][0038]其中，ξ
i
和为超出间隔带ε的松弛变量，其取值分别为
[0039][0040][0041]为了最小化目标函数，根据约束条件，构造拉格朗日函数
[0042][0043]其中，α
i
,η
i
,为拉格朗日乘子，且分别对ω，b，ξ
i
，求偏导，并令偏导为0，则
[0044][0045]原问题的对偶问题转化为
[0046][0047]使得满足
[0048][0049]在利用从雷达图像提取的特征和SVR方法反演波高过程中，高斯核函数常用于表示对偶问题中的函数内积Φ(x
i
)
·
Φ(x
j
)，所用的高斯核函数为
[0050]K(x
i
,x
j
)＝Φ(x
i
)
·
Φ(x
j
)＝exp(
‑
γ
·
||x
i
‑
x
j
||2)
[0051]其中γ为状形参数。
[0052]求解过程中采用的是拉格朗日对偶法，而对偶问题有解的充要条件是需要满足
KKT(Karush
‑
Kuhn
‑
Tucker)条件，根据KKT条件能够求出回归模型系数最优解b，则基于提取的特征反演有效波高的回归函数为
[0053][0054]在上述技术方案中，本专利技术提供的技术效果和优点：
[0055]1、本专利技术提出反演有效方法的具有无需外部参考设备如浮标进本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种从X波段导航雷达图像反演有效波高的方法，其特征在于：包括如下步骤：S1：选取雷达图像分析区域及预处理；S2：计雷达图像阴影分割阈值：所述S2分为、A1、雷达图像阴影边缘检测；A2、计算雷达图像的自适应阴影分割阈值；S3：构建均方根波陡特征向量；所述S3分为、B1、估计均方根波陡；B2、构建特征向量；S4：计算有效波高。2.根据权利要求1所述的一种从X波段导航雷达图像反演有效波高的方法，其特征在于：所述S1中，先选取有较大的有效回波区域雷达图像，再对雷达图像中分析区域内的在方位向上进行稀疏化处理，使得雷达图像的线数在角度向上分布均匀以及使相邻两条线之间的差异变大。3.根据权利要求1所述的一种从X波段导航雷达图像反演有效波高的方法，其特征在于：所述A1雷达图像阴影边缘检测，包括先通过将雷达图像像元分别与简单差分算子在其附近的8个领域内进行卷积运算得到8个方向上的边缘梯度，取前10％的像素值作为梯度阈值对边缘梯度进行图像边缘提取，通过将滤波处理后的8个方向的边缘梯度图像进行叠加得到一幅边缘图像；所述A2计算雷达图像的自适应阴影分割阈值，包括确定距离向最佳分割块数以及利用多项式曲线对每个分块区域内的阴影分割阈值进行拟合，得到单幅雷达图像的阴影分割阈值τ
S
。4.根据权利要求1所述的一种从X波段导航雷达图像反演有效波高的方法，其特征在于：所述B1估计均方根波陡，主要利用A2求得的雷达图像阴影分割阈值τ
S
将原始雷达图像分割成阴影区和非阴影区，阴影图像I
s
为将阴影图像在方位向上按照每10
°
间隔分割成区，并将阴影图像按35～50m的径向步长平均分割为固定的50块，通过计算每个分割块中的阴影比例，从而在每个分区得到关于掠射角θ的阴影比例函数S(θ)，根据随机粗糙面几何阴影中照度概率与阴影比例函数的关系，则照度概率L(θ)为：L(θ)＝1
‑
S(θ)基于史密斯拟合函数，通过对上述每一块照度概率函数L(θ)拟合估计得到每个分区当中的均方根波陡σ
rms
，雷达以入射角θ照射海面上的一点，得到的照度概率L(θ)为：其中，
μ＝cot(θ)式中σ
rms
为均方根波陡，erfc(x)为余补误差函数。5.根据权利要求1所述的一种从X波段导航雷达图像反演有效波高的方法，其特征在于：所述B2构建特征向量中，将在每个方...

【专利技术属性】
技术研发人员：卫延波，刘家康，龚旭樟，唐雪真，张晓奎，
申请(专利权)人：洛阳师范学院，
类型：发明
国别省市：