CN102663736A - 交轨干涉sar图像中畸形波的检测方法 - Google Patents

交轨干涉sar图像中畸形波的检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于海洋微波遥感技术领域，涉及一种交轨干涉SAR图像中畸形波的检测方法。包括以下步骤：a.读入交轨干涉SAR复图像
Figure 2012100722649100004DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 2012100722649100004DEST_PATH_IMAGE004
，利用复图像的干涉相位
Figure 2012100722649100004DEST_PATH_IMAGE006
，求出海面波升高度
Figure 2012100722649100004DEST_PATH_IMAGE008
；b.利用交轨干涉SAR复图像
Figure 229794DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 146934DEST_PATH_IMAGE004
互谱的虚部，求出海浪的传播方向；c.根据海面波升高度
Figure DEST_PATH_IMAGE010
，求出有效波高
Figure DEST_PATH_IMAGE012
；d.以有效波高
Figure 864354DEST_PATH_IMAGE012
为参考标准，确定海面波升高度
Figure 197247DEST_PATH_IMAGE010
中的大波位置和波高；e.沿着海浪的传播方向，计算大波的峭度系数，并判断大波是否为畸形波。本发明克服现有SAR图像畸形波检测方法的不足，既能够检测出畸形波波峰的局部特征，同时，又具有较高的精度。

Description

交轨干涉SAR图像中畸形波的检测方法
技术领域
本发明属于海洋微波遥感技术领域，涉及一种交轨干涉SAR图像中畸形波的检测方法。
背景技术
畸形波是一种波高极大、波峰陡峭的特殊海浪，它可在平静的深海或浅海的水面中瞬间出现且持续时间较短。因此，畸形波可对海岸建筑物、海上石油平台及船舶航行造成严重的威胁。合成孔径雷达(SAR，synthetic aperture radar)是一种高分辨率成像雷达，已在海洋动力学研究中广泛应用，如内波、海浪谱及海表面流等。
由于畸形波的发生具有不确定性，通过浮标测量获得的畸形波数据较少；而采用SAR微波海洋观测，可获得大量的全球海洋观测资料。这将弥补畸形波数据较少的现状。此外，传统的浮标仅可观测到海浪在固定点上的时间演化过程，无法观测到海浪在空间上的演化过程。而SAR可获得连续的大面积海浪观测资料，它是研究各种尺度的海浪(包括畸形波)在空间变化上的有效工具之一。
畸形波的检测方法是研究畸形波产生机理和预测的前提和基础。畸形波的检测应包含大波(波高较大的波)和波峰形状两方面的内容。
现有技术中，文献(A.Niedermeier，J.Borge，S.Lehner.Awavelet-based algorithmto estimate ocean wave group parameters from radar images.IEEE Trans.On Geoscienceand remote sensing，2005，43(2)：327-336)，在大波的检测中采用了小波变换模极大值法(WTMM，Wavelet Transform Modulus Maxima)。文献(Hailan Kuang，Tao Xie，WeiChen.Numerical study on SAR-based rogue wave detection part two：rogue wavedetection.International Conference on remote sensing，environment and transportationengineering，2011，pp：8743-8745)，采用了邻域像素点后向散射强度大于2.2倍图像均值作为判断大波的依据，该方法易于受到噪声的影响，在实测SAR的数据中还有待于进一步的检验。
上述方法存在的缺陷是：①并未建立SAR图像强度与海面高程之间的定量关系，仅依靠图像处理的方法来检测大波，无法将大波与有效波高或者平均波高进行比较；②在上述文献中，仅仅研究了SAR图像中大波的检测方法，并未考虑畸形波的波峰形状特征。
发明内容
为了克服现有SAR图像畸形波检测方法的不足，本发明所要解决的技术问题是，提供一种既能够检测出畸形波波峰的局部特征，同时，又具有较高的精度的交轨干涉SAR图像中畸形波的检测方法。
本发明的交轨干涉SAR图像中畸形波的检测方法包括以下步骤：
a.读入交轨干涉SAR复图像i1(x，y)和i2(x，y)，利用复图像的干涉相位
Figure BDA0000144254780000021
求出海面波升高度z(x，y)：
求复图像i1(x，y)和i2(x，y)干涉相位其中，∠表示求相位运算，*表示共轭运算，并进行相位解缠处理；
交轨干涉SAR两天线与飞机或卫星的飞行方向相垂直，前端天线A1发射并接收信号，后端天线A2只接收信号，根据海面波升高度z(x，y)与复图像的干涉相位
Figure BDA0000144254780000023
的关系，求出海面波升高度z(x，y)，
Figure BDA0000144254780000031
其中，(x，y)为海面的方位向和距离向的坐标，
Figure BDA0000144254780000032
h为飞机(卫星)的飞行高度，b为基线距离，λ为雷达波的波长，R为测量点与天线A1之间的距离，β为基线与水平方向之间的夹角；
b.利用交轨干涉SAR复图像i1(x，y)和i2(x，y)互谱的虚部，求出海浪的传播方向：
SAR复图像i1(x，y)和i2(x，y)的互谱 S 1,2 ( k x , k y ) = FT [ i 1 ( x , y ) i 2 * ( x , y ) ] , 互谱S1，2(kx，ky)的虚部部分是由正的互谱能量密度和负的互谱能量密度所构成的，则正的互谱能量密度的谱峰(最大值)所对应的方向就是海浪的传播方向。其中，FT表示Fourier变换，(kx，ky)为方位向和距离向的波数；
c.根据海面波升高度z(x，y)，求出有效波高Hs：
海面波升高度z(x，y)的波数谱Z(kx，ky)＝FT[z(x，y)]，则海面z(x，y)的有效波高 H s = 4 ∫ Z ( k x , k y ) dk x dk y ;
d.以有效波高Hs为参考标准，确定海面波升高度z(x，y)中的大波位置和波高zfreak(a，r，η)：
在海面波升高度z(x，y)的二维方向上查找大波，若海面波升高度z(x，y)＞2.2Hs，则标记为大波，并存储在一个三维数组中z(a，r，η)，其中a为大波在方位向上的坐标，r为大波在距离向上的坐标，η为大波的波高；
e.沿着海浪的传播方向，计算大波的峭度系数，并判断大波是否为畸形波：
读取记录大波的三维数组z(a，r，η)，对每个大波计算峭度系数fkur，若fkur＞3，则大波为畸形波，否则不是畸形波；
计算大波峭度系数的方法为：在海面波升高度z(x，y)沿着海浪的传播方向，取出大波的观测值，并进行三次样条插值，记为序列f，计算序列f的峭度系数
Figure BDA0000144254780000041
其中，N为序列f的点数，
Figure BDA0000144254780000042
为序列f的算术平均值，s为序列f的标准差。
本发明是采用交轨干涉SAR复图像的干涉相位来直接确定海面的波升高度，因此，由交轨干涉SAR反演的海面波升高度具有较高的精度；另一方面，采用干涉SAR互谱方法可解决SAR海浪在传播方向上存在的180°模糊问题。此外，本发明在检测畸形波时包含了波峰高度和形状两个方面的内容：在波峰高度方面是以有效波高作为检测参考依据的，而在波峰形状方面是以波峰的峭度系数作为检测参考依据的。因此，本发明即能够检测出畸形波波峰的局部特征，同时，又具有较高的精度。
附图说明
图1为本发明的流程图。
具体实施方式
现结合附图对本发明进行详细的阐述。图1为本发明的流程图。交轨干涉SAR图像中畸形波的检测方法。包括以下步骤：
1.读入交轨干涉SAR复图像i1(x，y)和i2(x，y)，利用复图像的干涉相位
Figure BDA0000144254780000043
，求出海面波升高度z(x，y)；
先求出复图像i1(x，y)和i2(x，y)的干涉相位方法是：复图像i1(x，y)和i2(x，y)的共轭相乘后，转换成幅度和相位的形式，取出干涉相位
Figure BDA0000144254780000051
并进行相位解缠处理；
干涉相位
Figure BDA0000144254780000052
与海面波升高度z(x，y)的关系为，
Figure BDA0000144254780000053
其中，(x，y)为海面的方位向和距离向的坐标，
Figure BDA0000144254780000054
h为飞机(卫星)的飞行高度，b为基线距离，λ为雷达波的波长，R为测量点与天线A1之间的距离，β为基线与水平方向之间的夹角。利用式(1)，求出海面波升高度z(x，y)。
2.利用交轨干涉SAR复图像i1(x，y)和i2(x，y)互谱的虚部，求出海浪的传播方向；
求复图像i1(x，y)和i2(x，y)的互谱 S 1,2 ( k x , k y ) = FT [ i 1 ( x , y ) i 2 * ( x , y ) ] 的方法是：将复图像i1(x，y)和i2(x，y)的共轭相乘后，进行快速付里叶变换，得到互谱S1，2(kx，ky)，其中，FT表示Fourier变换，(kx，ky)表示方位向和距离向的波数。
将互谱S1，2(kx，ky)转换成实部和虚部的形式，在互谱S1，2(kx，ky)虚部为正值时，搜索其最大值，其所对应的波数记为(kxpeak，kypeak)，那么海浪的传播方向
Figure BDA0000144254780000056
该方向是以卫星(飞机)的飞行方向为参考。
3.根据海面波升高度z(x，y)，求出有效波高Hs；
求海面波升高度z(x，y)的波数谱Z(kx，ky)＝FT[z(x，y)]的方法是：对海面波升高度z(x，y)进行二维快速付里叶变换，得到其波数谱Z(kx，ky)；则海面z(x，y)的有效波高 H s = 4 Σ p = k x min k x max Σ q = k y min k y max Z ( k x , k y ) Δk x Δk y , 其中，kxmin和kxmax分别是方位向波数kx的最小值和最大值；kymin和kymax分别是波数距离向ky的最小值和最大值；Δkx是方位向波数kx的离散间隔；Δky是距离向波数ky的离散间隔；p和q分别为索引数。
4.以有效波高Hs为参考标准，确定海面波升高度z(x，y)中的大波位置和波高z(a，r，η)；
在海面波升高度z(x，y)的二维方向上查找大波，若海面波升高度z(x，y)＞2.2Hs，则标记为大波，并存储在一个三维数组中z(a，r，η)，其中a为大波在方位向上的坐标，r为大波在距离向上的坐标，η为大波的波高。
5.沿着海浪的传播方向，计算大波的峭度系数，并判断大波是否为畸形波；
读取记录大波的三维数组z(a，r，η)，对每个大波计算峭度系数fkur，若fkur＞3，则大波为畸形波，否则不是畸形波。
计算大波峭度系数的方法为：在海面波升高度z(x，y)沿着海浪的传播方向，取出大波的观测值，并进行三次样条插值，记为序列f，计算序列f的峭度系数
Figure BDA0000144254780000061
其中，N为序列f的点数，
Figure BDA0000144254780000062
为序列f的算术平均值，s为序列f的标准差。

Claims (2)

1.一种交轨干涉SAR图像中畸形波的检测方法，其特征是：包括以下步骤，
a. 读入交轨干涉SAR复图像                                               
Figure 2012100722649100001DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 2012100722649100001DEST_PATH_IMAGE004
，利用复图像的干涉相位
Figure 2012100722649100001DEST_PATH_IMAGE006
，求出海面波升高度：
求复图像
Figure 591163DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 413626DEST_PATH_IMAGE004
干涉相位，其中，表示求相位运算， *表示共轭运算，并进行相位解缠处理；
交轨干涉SAR两天线与飞机或卫星的飞行方向相垂直，前端天线
Figure 2012100722649100001DEST_PATH_IMAGE014
发射并接收信号，后端天线
Figure 2012100722649100001DEST_PATH_IMAGE016
只接收信号，根据海面波升高度与复图像的干涉相位
Figure 692608DEST_PATH_IMAGE006
的关系，求出海面波升高度
Figure 361487DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure 2012100722649100001DEST_PATH_IMAGE018
其中， 为海面的方位向和距离向的坐标，
Figure 2012100722649100001DEST_PATH_IMAGE022
， 
Figure 2012100722649100001DEST_PATH_IMAGE024
为飞机(卫星)的飞行高度，
Figure 2012100722649100001DEST_PATH_IMAGE026
为基线距离，
Figure 2012100722649100001DEST_PATH_IMAGE028
为雷达波的波长，为测量点与天线
Figure 108513DEST_PATH_IMAGE014
之间的距离，
Figure 2012100722649100001DEST_PATH_IMAGE032
为基线与水平方向之间的夹角；
b.利用交轨干涉SAR复图像
Figure 862842DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 475220DEST_PATH_IMAGE004
互谱的虚部，求出海浪的传播方向： 
SAR复图像
Figure 936289DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 303816DEST_PATH_IMAGE004
的互谱
Figure 2012100722649100001DEST_PATH_IMAGE034
，互谱
Figure 2012100722649100001DEST_PATH_IMAGE036
的虚部部分是由正的互谱能量密度和负的互谱能量密度所构成的，则正的互谱能量密度的谱峰（最大值）所对应的方向就是海浪的传播方向。
2.其中，
Figure 2012100722649100001DEST_PATH_IMAGE038
表示Fourier变换，
Figure 2012100722649100001DEST_PATH_IMAGE040
为方位向和距离向的波数；
c.根据海面波升高度
Figure 2012100722649100001DEST_PATH_IMAGE042
，求出有效波高：
海面波升高度
Figure 355561DEST_PATH_IMAGE042
的波数谱
Figure 2012100722649100001DEST_PATH_IMAGE046
，则海面的有效波高
Figure 2012100722649100001DEST_PATH_IMAGE048
；
d.以有效波高
Figure 211839DEST_PATH_IMAGE044
为参考标准，确定海面波升高度
Figure 484688DEST_PATH_IMAGE042
中的大波位置和波高：
在海面波升高度
Figure 213610DEST_PATH_IMAGE042
的二维方向上查找大波，若海面波升高度，则标记为大波，并存储在一个三维数组中
Figure 2012100722649100001DEST_PATH_IMAGE054
，其中
Figure 2012100722649100001DEST_PATH_IMAGE056
为大波在方位向上的坐标， 为大波在距离向上的坐标，
Figure 2012100722649100001DEST_PATH_IMAGE060
为大波的波高；
e.沿着海浪的传播方向，计算大波的峭度系数，并判断大波是否为畸形波：
读取记录大波的三维数组，对每个大波计算峭度系数
Figure 2012100722649100001DEST_PATH_IMAGE062
，若
Figure 2012100722649100001DEST_PATH_IMAGE064
，则大波为畸形波，否则不是畸形波；
计算大波峭度系数的方法为：在海面波升高度
Figure 541134DEST_PATH_IMAGE042
沿着海浪的传播方向，取出大波的观测值，并进行三次样条插值，记为序列，计算序列
Figure 241675DEST_PATH_IMAGE066
的峭度系数，其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE070
为序列
Figure 129997DEST_PATH_IMAGE066
的点数，
Figure DEST_PATH_IMAGE072
为序列
Figure 950185DEST_PATH_IMAGE066
的算术平均值，
Figure DEST_PATH_IMAGE074
为序列
Figure 240352DEST_PATH_IMAGE066
的标准差。
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