CN102663736B - 交轨干涉sar图像中畸形波的检测方法 - Google Patents

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复图像和，利用复图像的干涉相位，求出海面波升高度；b.利用交轨干涉SAR复图像和互谱的虚部，求出海浪的传播方向；c.根据海面波升高度，求出有效波高；d.以有效波高为参考标准，确定海面波升高度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

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

的关系，求出海面波升高度z(x，y)，

其中，(x，y)为海面的方位向和距离向的坐标，

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 $S_{\mathrm{1,2}}(k_x,k_y)=\mathrm{FT}\left[i_1(x,y)i_2^{*}(x,y)\right],$ 互谱S_1，2(k_x，k_y)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，(k_x，k_y)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H_s：

海面波升高度z(x，y)的波数谱Z(k_x，k_y)＝FT[z(x，y)]，则海面z(x，y)的有效波高 $H_s=4\sqrt{\∫Z(k_x,k_y){\mathrm{dk}}_x{\mathrm{dk}}_y};$

d.以有效波高H_s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_freak(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)＞2.2H_s，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f_kur，若f_kur＞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

其中，N为序列f的点数，

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

，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

并进行相位解缠处理；

干涉相位与海面波升高度z(x，y)的关系为，

其中，(x，y)为海面的方位向和距离向的坐标，

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 $S_{\mathrm{1,2}}(k_x,k_y)=\mathrm{FT}\left[i_1(x,y)i_2^{*}(x,y)\right]$ 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S_1，2(k_x，k_y)，其中，FT表示Fourier变换，(k_x，k_y)表示方位向和距离向的波数。

将互谱S_1，2(k_x，k_y)转换成实部和虚部的形式，在互谱S_1，2(k_x，k_y)虚部为正值时，搜索其最大值，其所对应的波数记为(k_xpeak，k_ypeak)，那么海浪的传播方向

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H_s；

求海面波升高度z(x，y)的波数谱Z(k_x，k_y)＝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(k_x，k_y)；则海面z(x，y)的有效波高 $H_s=4\sqrt{\underset{p=k_{x\min }}{\overset{k_{x\max }}{\mathrm{\Σ}}}\underset{q=k_{y\min }}{\overset{k_{y\max }}{\mathrm{\Σ}}}Z(k_x,k_y){\mathrm{\Δk}}_x{\mathrm{\Δk}}_y},$ 其中，k_xmin和k_xmax分别是方位向波数k_x的最小值和最大值；k_ymin和k_ymax分别是波数距离向k_y的最小值和最大值；Δk_x是方位向波数k_x的离散间隔；Δk_y是距离向波数k_y的离散间隔；p和q分别为索引数。

4.以有效波高H_s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)＞2.2H_s，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f_kur，若f_kur＞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

其中，N为序列f的点数，

为序列f的算术平均值，s为序列f的标准差。

Claims (1)

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i₁(x,y)和i₂(x,y)，利用复图像的干涉相位

，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的关系，求出海面波升高度z(x,y)，

其中，(x,y)为海面的方位向和距离向的坐标，

h为飞机或卫星的飞行高度，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

互谱S_1,2(k_x,k_y)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，(k_x,k_y)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H_s：

海面波升高度z(x,y)的波数谱Z(k_x,k_y)＝FT[z(x,y)]，则海面z(x,y)的有效波高

$H_s=4\sqrt{\∫Z(k_x,k_y){\mathrm{dk}}_{x}d{k}_y};$

d.以有效波高H_s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_freak(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)＞2.2H_s，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f_kur，若f_kur＞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

其中，N为序列f的点数，

为序列f的算术平均值，s为序列f的标准差。

Images