CN103105603B - 一种x波段测波雷达海流反演预处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于海洋重力波色散关系的X波段测波雷达海流反演预处理方法，先由海洋重力波色散关系及相应的几何关系确定满足色散关系的角频率和空间波数的关系表达式；然后，对每个方向，由确定的角频率和空间波数的关系式来确定一系列满足关系式的曲线簇；再对确定的曲线簇进行相关判断，找出满足色散关系的曲线；最后用确定的色散关系曲线进行海流反演得到准确的海流信息。本发明算法简单、高效，为岸基X波段测波雷达、船载X波段测波雷达海洋动力学参数反演提供一种预处理方法，提高了海流及海浪参数反演的精度。

Description

一种X波段测波雷达海流反演预处理方法

技术领域

本发明属于无线电物理学和海洋科学技术领域，尤其涉及一种利用海洋重力波色散关系对X波段测波雷达海流反演进行预处理的方法。

背景技术

X波段测波雷达广泛用于海上交通管理和海上航行导航，近三十年来逐步发展成为一种用于海洋环境监测的新手段。当X波段测波雷达电磁波入射到海面时，与那些与雷达波长相当的、由风引起的毛细波产生Bragg散射，后向散射回波被雷达接收器接收，形成“海杂波”,而波长较长的重力波通过对毛细波的流体动力调制、倾斜调制、阴影调制作用表现在海杂波图像上，因此，X波段测波雷达图像包含着丰富的海洋动力学参数信息。对此雷达回波图像进行分析可以找到与海洋表面动力学过程(风、浪、流)相对应的谱特征，由此即可提取和反演出海面动力学要素值。利用X波段测波雷达进行海洋监测具有便捷、可靠、经济、实时和分辨率高等特点，已经引起了海洋学家们的广泛重视,被认为是一种能实现对海洋进行有效监测的高科技手段。

在海浪参数反演过程中，首先对雷达图像序列进行3维FFT变换，以获得相对海浪方向谱，然后利用海浪方向谱可以计算得到海浪的主波周期和主波向等信息，由于海流的存在，使得朝向雷达天线方向的回波图像功率谱由于多普勒效应而移到高频部分，反之则移致低频部分。因此，流速的确定是计算准确图像功率谱的关键部分，对于利用回波图像功率谱反演准确的海浪参数信息是至关重要的。

传统的基于X波段测波雷达的海流反演算法是基于加权最小二乘法，经过3维FFT变换的谱的所有频点都会参与运算，由于存在干扰就会使海流结果不准确，从而导致反演得到的海浪参数不准确。为了得到准确的海流信息，需要对雷达数据进行预处理，选取相对准确的满足色散关系的频点，目前对雷达数据的预处理都是用最大海流流速进行限制，然而在对观测海域海流最大可能流速未知，或对于船载X波段测波雷达来说，用流速来对回波谱进行限制就会失效。

发明内容

针对背景技术存在的问题，本发明提供一种利用海洋重力波色散关系对X波段测波雷达海流反演进行预处理的方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种X波段测波雷达海流反演预处理方法，包括以下步骤，

步骤1、根据海洋重力波色散关系及相应的几何关系确定满足色散关系的角频率和空间波数的K-W色散曲线，K-W色散曲线的表达式为：

$W=\frac{K}{K_1}(W_1-(1-\sqrt{K_1/K})\sqrt{g{K}_1})---\left(1\right)$

其中，W₁为满足色散关系的曲线上的任意一点所对应的角频率，K₁为K-W面上与W₁对应的空间波数，g为重力加速度；

步骤2、对每个方向，由步骤1中确定的角频率和空间波数的关系式确定满足该关系式的曲线簇；

步骤3、对每个方向，对步骤2确定的曲线簇进行判断，找出满足色散关系的色散曲线；

步骤4、对步骤3得到的色散曲线进行海流反演得到准确的海流信息。

所述步骤3包括以下步骤：

步骤3.1对每个方向上的K-W面，均由式(1)生成曲线簇；

步骤3.2对于曲线簇中的每一条曲线，利用临近点插值法插值得到该曲线上每一点处3维FFT变换后的能量值；

步骤3.3遍历每一条曲线：对于色散曲线n，如果其上有50％以上点的能量值不小于曲线n-1和n+1上点的值，且它与上一个K-W面中已选出的曲线序号相差3，那么该色散曲线n就是这个K-W面上满足色散关系的色散曲线；

步骤3.4对所有的方向，重复步骤3.3，得到每个方向上的满足色散关系的色散曲线。

所述步骤1中的式(1)由以下计算过程得出：

$W=\sqrt{\mathrm{gK}\tanh \left(\mathrm{gKh}\right)}+K_x{U}_x+K_y{U}_y---\left(2\right)$

式(2)中，W为海流的角频率，g为重力加速度，K为空间波数，h为水深，K_x为空间波数在X轴方向的投影，U_x为海流在X轴方向的投影，K_y为空间波数在Y轴方向的投影，U_y为海流在Y轴方向的投影；

在这里不考虑水深的影响，即

$W=\sqrt{\mathrm{gK}}+K_x{U}_x+K_y{U}_y---\left(3\right)$

对于满足色散关系的色散曲线上的任意两点可以得到：

$\left\{\begin{array}{c}{W}_1=\sqrt{g{K}_1}+K_{1x}{U}_x+K_{1y}{U}_y\\ W_2=\sqrt{g{K}_2}+K_{2x}{U}_x+K_{2y}{U}_y\end{array}\right.---\left(4\right)$

式(4)中，W₁、W₂分别为满足色散关系的色散曲线上的任意两点对应的角频率，K₁、K₂分别为满足色散关系的色散曲线上的任意两点对应的空间波数，g为重力加速度，K_1x、K_2x、K_1y、K_2y分别为K₁、K₂在X轴和Y轴的投影，U_x、U_y分别为海流在X轴和Y轴方向的投影，

由色散关系图及相关几何关系可以得到：

$\frac{K_{1x}}{K_{2x}}=\frac{K_{1y}}{K_{2y}}=\frac{K_1}{K}$

令 $\frac{K_{1x}}{K_{2x}}=\mathrm{\α},$ 则 $\frac{K_{1y}}{K_{2y}}=\frac{K_1}{K_2}=\mathrm{\α},$

令W₁-αW₂可得：

式(5)进一步变换可得：

$W_2=\frac{1}{\mathrm{\α}}(W_1-(1-\sqrt{\mathrm{\α}})\sqrt{g{K}_1})---\left(6\right)$

对于每个方向上的K-W面上的一点(W₁，K₁)，可以确定一条满足色散关系的K-W色散曲线，即：

$W=\frac{K}{K_1}(W_1-(1-\sqrt{K_1/K})\sqrt{g{K}_1}).$

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

1.本发明具有算法简单高效，占用资源少的优点；其利用海洋重力波色散关系及相应的几何关系，为X波段测波雷达海洋动力学参数反演提供一种预处理方法，提高了海流及海浪参数反演的精度；

2.本发明不仅适用于岸基X波段测波雷达，还适用于船载X波段测波。

附图说明

图1是本发明的流程图。

图2是(某一方向上)空间波数与角频率的几何关系示意图。

图3是(某一方向上)由确定的角频率和空间波数的关系式来确定满足关系式的曲线簇。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，基于X波段测波雷达的海洋回波图像在进行3维FFT变换后可以得到Kx-Ky-W空间的波数频率三维谱，对于每个方向来说可以从三维谱里面提取得到K-W的二维谱，对于每个方向上的K-W二维谱都可以找到一条满足海洋学重力波色散关系的曲线。对于色散关系上的每一个点来说会满足下式：

$W=\sqrt{\mathrm{gK}\tanh \left(\mathrm{gKh}\right)}+K_x{U}_x+K_y{U}_y---\left(2\right)$

式(2)中，W为海浪的角频率，g为重力加速度，K为空间波数，h为水深，K_x为空间波数在X轴方向的投影，U_x为海流在X轴方向的投影，K_y为空间波数在Y轴方向的投影，U_y为海流在Y轴方向的投影；

在这里不考虑水深的影响，即

$W=\sqrt{\mathrm{gK}}+K_x{U}_x+K_y{U}_y---\left(3\right)$

如图2所示，对于满足色散关系的色散曲线上的任意两点可以得到：

$\left\{\begin{array}{c}{W}_1=\sqrt{g{K}_1}+K_{1x}{U}_x+K_{1y}{U}_y\\ W_2=\sqrt{g{K}_2}+K_{2x}{U}_x+K_{2y}{U}_y\end{array}\right.---\left(4\right)$

式(4)中，W₁、W₂分别为满足色散关系的色散曲线上的任意两点对应的角频率，K₁、K₂分别为满足色散关系的色散曲线上的任意两点对应的空间波数，g为重力加速度，K_1x、K_2x、K_1y、K_2y分别为K₁、K₂在X轴和Y轴的投影，U_x、U_y分别为海流在X轴和Y轴方向的投影，

由色散关系图及相关几何关系可以得到：

$\frac{K_{1x}}{K_{2x}}=\frac{K_{1y}}{K_{2y}}=\frac{K_1}{K}$

令 $\frac{K_{1x}}{K_{2x}}=\mathrm{\α},$ 则 $\frac{K_{1y}}{K_{2y}}=\frac{K_1}{K_2}=\mathrm{\α},$

令W₁-αW₂可得：

式(5)进一步变换可得：

$W_2=\frac{1}{\mathrm{\α}}(W_1-(1-\sqrt{\mathrm{\α}})\sqrt{g{K}_1})---\left(6\right)$

对于每个方向上的K-W面上的一点(W₁，K₁)，可以确定一条满足色散关系的K-W色散曲线，即：

$W=\frac{K}{K_1}(W_1-(1-\sqrt{K_1/K})\sqrt{g{K}_1})---\left(1\right)$

根据式(1)，对于每个方向上的K-W面，可以生成一系列满足式(1)的曲线簇，如图3所示，总体来说，满足海洋重力波色散关系的曲线通过的点的能量要比其它曲线通过的点的能量要大，所以通过比较每个K-W面上相邻曲线在通过点的能量值大小，就可以在该方向上找出满足色散关系的曲线，由于存在干扰，所以在某些方向上找出的色散曲线不止一条，这时可以通过相邻角度之间的平滑关系，去除一些由于干扰而产生的虚假的色散关系曲线，具体步骤如下：

1)对每个方向上的K-W平面，由式(1)生成一系列曲线簇；

2)对于曲线簇中的每一条曲线，利用临近点插值法插值得到该曲线上每一点处3维FFT变换后的能量值；

3)遍历每条曲线，如图3中的色散曲线n，如果其上有50％以上点的能量值不小于曲线n-1和n+1上点的值，且它与上一个K-W面中已选出的曲线序号相差3，那么该色散曲线n就是这个K-W面上选出的满足色散关系的色散曲线；

4)对所有的方向，重复3)，得到每个方向上的满足色散关系的色散关系曲线。

通过以上步骤得到每个方向上的色散关系曲线后，就可以通过得到的曲线，运用加权最小二乘法，得到相对准确的海流信息，为后续海浪信息反演提供准确的滤波。

本发明是基于海洋重力波色散关系及相应的几何关系，并非通过设定经验阈值来对回波进行限定，所以本算法不仅适用于岸基X波段测波雷达，还适用于船载X波段测波雷达。

Claims (1)

1.一种X波段测波雷达海流反演预处理方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤1、根据海洋重力波色散关系及相应的几何关系确定满足色散关系的角频率和空间波数的K-W色散曲线，K-W色散曲线的表达式为：

$W=\frac{K}{K_1}(W_1-(1-\sqrt{K_1/K})\sqrt{{\mathrm{gK}}_1})---\left(1\right)$

其中，W为海浪的角频率，K为空间波数，W₁为满足色散关系的曲线上的任意点所对应的角频率，K₁为K-W面上与W₁对应的空间波数，g为重力加速度；

步骤2、对每个方向，由步骤1中确定的角频率和空间波数的关系式确定满足该关系式的曲线簇；

步骤3、对每个方向，对步骤2确定的曲线簇进行判断，找出满足色散关系的色散曲线；

步骤4、对步骤3得到的色散曲线进行海流反演得到准确的海流信息；

所述步骤3包括：

步骤3.1对每个方向上的K-W面，均由式(1)生成曲线簇；

步骤3.2对于曲线簇中的每一条曲线，利用临近点插值法插值得到该曲线上每一点处3维FFT变换后的能量值；

步骤3.3遍历每一条曲线：对于色散曲线n，如果其上有50％以上点的能量值不小于曲线n-1和n+1上点的值，且它与上一个K-W面中已选出的曲线序号相差3，那么该色散曲线n就是这个K-W面上满足色散关系的色散曲线；

步骤3.4对所有的方向，重复步骤3.3，得到每个方向上的满足色散关系的色散曲线。