CN103344950A - 一种海态雷达内波参数反演方法 - Google Patents

一种海态雷达内波参数反演方法 Download PDF

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CN103344950A
CN103344950A CN2013102981642A CN201310298164A CN103344950A CN 103344950 A CN103344950 A CN 103344950A CN 2013102981642 A CN2013102981642 A CN 2013102981642A CN 201310298164 A CN201310298164 A CN 201310298164A CN 103344950 A CN103344950 A CN 103344950A
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CN
China
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radar
wave
extra large
sea
designated
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CN2013102981642A
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English (en)
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杨永生
张宗杰
赵梅
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Suzhou University of Science and Technology
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Suzhou University of Science and Technology
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Abstract

本发明公开了一种海态雷达内波参数反演方法，包括以下步骤：首先输入
Figure 2013102981642100004DEST_PATH_IMAGE002
幅海态雷达极坐标形式的回波数据，通过最小二乘法剔除雷达斜坡的影响，接着将雷达回波数据转换到笛卡尔坐标系下，通过阈值法，剔除海尖峰干扰；对预处理后的数据进行叠加的局部Radon变换，利用Radon变换方向角的最大值得到内波的传播方向；然后对剔除海尖峰后的回波数据进行逆向旋转，并利用时间平均来求内波的传播速度；最后，利用内波的传播速度对内波包络进行对齐求平均，求内波的包络个数和波长。采用本发明技术方案，在回波数据预处理方面具有速度快，易于实现的特点；并增强了远距离处雷达图像内波的特征。

Description

一种海态雷达内波参数反演方法
技术领域
本发明涉及一种海态雷达内波参数反演方法。
背景技术
海洋内波是发生在海水内部的一种波动, 其振幅可达数十米，甚至上百米。由于内波的隐蔽性、随机性和极强的破坏性，使人类防不胜防，故有“水下魔鬼”之称。研究内波的主要实验方法有现场测量和遥感观测。现场测量不但需要温盐深剖面仪、海流计及声学多普勒流速剖面仪等测量仪器，而且观测范围有限、经常受到海上天气等影响。因此，内波的现场测量具有成本高、获取信息不完整等缺点。
合成孔径雷达和海态雷达是遥感观测内波常用的两种平台。合成孔径雷达（SAR，synthetic aperture radar）具有较高的空间分辨率，但重复观测内波的条件还不具备。由于海浪对Bragg波的非线性调制以及相干斑噪声的影响，从SAR图像上反演内波参数是个病态问题，其反演精度还有待于提高。
海态雷达具有高的时间分辨率，每分钟可获得数十张雷达图像。由于远距离海面回波强度比近距离海面的回波弱两个数量级已上，这导致远距离处的内波特征在雷达图像上较弱，不易提取。此外，雷达天线受到风速的影响，使得雷达回波在不同方位视向角上存在偏差。这表明雷达回波是距离和方位视向角的函数，从雷达回波中剔除距离和方位视向角的影响称之为斜坡校正问题。对于内波来讲，海面上较强的白泡散射（常称为海尖锋）也是一种干扰。因此，剔除海尖峰的干扰、雷达斜坡的校正的预处理是反演内波参数的关键问题。
从海态雷达图像上反演的内波参数有：传播方向、速度、包络的个数及波长等参数。通常采用Radon变换来确定内波的传播方向，Radon变换具有将图像的直线特征转换为点特征的几何特性，但内波的形状通常是曲线形式而非直线形式。因此，直接对回波数据进行整体的Radon变换，得到的内波的传播方向并不准确。而内波的传播方向反演的精度将直接影响到内波的速度、包络的个数和波长等参数的精度。
基于以上原因，发明一种易行的精度高的海态雷达内波参数反演方法，以解决现有技术中内波参数反演易受影响且精确度不高的问题已成为本技术领域中亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的问题，提供一种海态雷达内波参数反演方法。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种海态雷达内波参数反演方法，包括以下步骤：
步骤1）输入                                               
Figure 2013102981642100002DEST_PATH_IMAGE002
幅时间分辨率为
Figure 2013102981642100002DEST_PATH_IMAGE004
的海态雷达极坐标形式的回波数据
Figure 2013102981642100002DEST_PATH_IMAGE006
，其中，
Figure 2013102981642100002DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure 2013102981642100002DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 2013102981642100002DEST_PATH_IMAGE012
为雷达斜距，
Figure 2013102981642100002DEST_PATH_IMAGE014
为雷达天线方位视向角，其取值范围为
Figure 2013102981642100002DEST_PATH_IMAGE016
，以
Figure 2013102981642100002DEST_PATH_IMAGE018
为参考方向，并指向正东；通过最小二乘法剔除雷达斜坡的影响，记为
Figure 2013102981642100002DEST_PATH_IMAGE020
；
步骤2）将剔除雷达斜坡后的极坐标形式的回波转换到笛卡尔坐标系下，记为
Figure 2013102981642100002DEST_PATH_IMAGE022
；
步骤3)，通过阈值法，从笛卡尔坐标系下的回波数据
Figure DEST_PATH_IMAGE022A
中剔除海尖峰的干扰，记为
Figure 2013102981642100002DEST_PATH_IMAGE024
；
步骤4)，对
Figure DEST_PATH_IMAGE024A
进行叠加的局部Radon变换，利用Radon变换方向角的最大值得到内波的传播方向，记为
Figure 2013102981642100002DEST_PATH_IMAGE026
；
步骤5)，对剔除海尖峰后的回波数据
Figure DEST_PATH_IMAGE024AA
进行逆向旋转
Figure DEST_PATH_IMAGE026A
，并利用时间平均来求内波的传播速度；
步骤6)，利用内波的传播速度对内波包络进行对齐求平均，然后采用峰值法和过零点，求内波的包络个数
Figure 2013102981642100002DEST_PATH_IMAGE030
和波长
Figure 2013102981642100002DEST_PATH_IMAGE032
。
进一步的，所述步骤（1）具体过程为：对每幅雷达回波数据
Figure DEST_PATH_IMAGE006A
沿
Figure DEST_PATH_IMAGE012A
和方向上分别求平均并用最小二乘法来拟合，记为
Figure 2013102981642100002DEST_PATH_IMAGE034
和，然后，在回波数据
Figure DEST_PATH_IMAGE006AA
的
Figure DEST_PATH_IMAGE012AA
方向上减掉
Figure DEST_PATH_IMAGE034A
和
Figure DEST_PATH_IMAGE014AA
方向上减掉
Figure DEST_PATH_IMAGE036A
，记为
Figure 2013102981642100002DEST_PATH_IMAGE038
。
进一步的，所述步骤（2）具体过程为：回波数据从极坐标形式
Figure DEST_PATH_IMAGE038A
转换为笛卡尔形式，其中，
Figure 2013102981642100002DEST_PATH_IMAGE042
为海面水平正东方向，
Figure 2013102981642100002DEST_PATH_IMAGE044
为海面水平正北方向；为雷达天线入射角。
进一步的，所述步骤（3）具体过程为：对回波数据
Figure DEST_PATH_IMAGE040A
求均值
Figure 2013102981642100002DEST_PATH_IMAGE048
，其中，
Figure 2013102981642100002DEST_PATH_IMAGE050
为索引，
Figure 2013102981642100002DEST_PATH_IMAGE052
为雷达斜距方向上的点数，
Figure 2013102981642100002DEST_PATH_IMAGE054
为雷达天线方位视向角离散化的点数；将海尖锋的阈值设为
Figure 2013102981642100002DEST_PATH_IMAGE056
，对回波数据
Figure DEST_PATH_IMAGE040AA
逐一搜索，若数据值大于
Figure DEST_PATH_IMAGE056A
，则用
Figure 2013102981642100002DEST_PATH_IMAGE058
窗口的中心覆盖当前标记的海尖峰，然后用该窗口（不含中心处）的均值来替代海尖锋的数据值，剔除海尖峰后的回波数据记为
Figure DEST_PATH_IMAGE024AAA
。
进一步的，所述步骤（4）具体过程为：对剔除海尖峰后的回波数据记为
Figure DEST_PATH_IMAGE024AAAA
进行叠加的局部Radon变换， 
Figure 2013102981642100002DEST_PATH_IMAGE060
，其中，为狄拉克函数，
Figure 2013102981642100002DEST_PATH_IMAGE064
为Radon变换投影的距离，为Radon变换投影的方向角，
Figure 2013102981642100002DEST_PATH_IMAGE068
为局部Radon变换窗口的尺寸，
Figure 2013102981642100002DEST_PATH_IMAGE070
为Radon变换数据的重复率，其取值范围为
Figure 2013102981642100002DEST_PATH_IMAGE072
，
Figure 2013102981642100002DEST_PATH_IMAGE074
，
Figure 2013102981642100002DEST_PATH_IMAGE076
，
Figure 2013102981642100002DEST_PATH_IMAGE078
，
Figure 2013102981642100002DEST_PATH_IMAGE080
；对函数
Figure 2013102981642100002DEST_PATH_IMAGE082
求方差后并沿着
Figure DEST_PATH_IMAGE064A
方向求平均，记为
Figure 2013102981642100002DEST_PATH_IMAGE084
，则函数
Figure DEST_PATH_IMAGE084A
的最大值所对应的
Figure 2013102981642100002DEST_PATH_IMAGE086
求平均后就是内波的传播方向
Figure DEST_PATH_IMAGE026AA
，以正东方向为参考。
进一步的，所述步骤（5）具体过程为：对剔除海尖峰后的回波数据
Figure DEST_PATH_IMAGE024AAAAA
进行逆向旋转
Figure DEST_PATH_IMAGE026AAA
，使得内波传播方向与
Figure 2013102981642100002DEST_PATH_IMAGE088
轴平行，记为
Figure 2013102981642100002DEST_PATH_IMAGE090
，对
Figure DEST_PATH_IMAGE090A
沿
Figure DEST_PATH_IMAGE088A
方向求平均得到
Figure 2013102981642100002DEST_PATH_IMAGE092
，计算
Figure 2013102981642100002DEST_PATH_IMAGE094
时刻内的最大值所偏移的距离
Figure 2013102981642100002DEST_PATH_IMAGE096
，则内波的传播速度
Figure 2013102981642100002DEST_PATH_IMAGE098
。
进一步的，所述步骤（6）具体过程为：利用内波的传播速度，对
Figure DEST_PATH_IMAGE092AA
内波包络进行对齐，得到
Figure 2013102981642100002DEST_PATH_IMAGE100
，然后进行时间的平均得到增强的内波包络
Figure 2013102981642100002DEST_PATH_IMAGE102
，利用峰值法和过零点得到内波包络的个数
Figure DEST_PATH_IMAGE030A
和波长
Figure DEST_PATH_IMAGE032A
参数。
本发明的有益效果: 
1、本发明对极坐标形式的雷达回波数据进行两次一维的斜坡校正，并采用阈值法剔除海尖峰的预处理，具有速度快，易于实现的特点；并增强了远距离处雷达图像的内波特征。
2、本发明采用叠加的局部Radon变换，反演内波的传播方向，可以克服Radon变换对曲线几何特征的不足，从而提高内波参数的反演精度。
3、本发明的海态雷达内波参数反演方法可以对雷达图像作进一步的图像处理，来获得更多的内波参数。
附图说明
图1是本发明的流程图。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。
参照图1所示，一种海态雷达内波参数反演方法，包括以下步骤：
步骤1）输入
Figure DEST_PATH_IMAGE002A
幅时间分辨率为
Figure DEST_PATH_IMAGE004A
的海态雷达极坐标形式的回波数据
Figure DEST_PATH_IMAGE006AAA
，其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE008A
，
Figure DEST_PATH_IMAGE010A
，
Figure DEST_PATH_IMAGE012AAA
为雷达斜距，为雷达天线方位视向角，其取值范围为
Figure DEST_PATH_IMAGE016A
，以
Figure DEST_PATH_IMAGE018A
为参考方向，并指向正东；通过最小二乘法剔除雷达斜坡的影响，记为；
步骤2）将剔除雷达斜坡后的极坐标形式的回波
Figure DEST_PATH_IMAGE020AAA
转换到笛卡尔坐标系下，记为；
步骤3)，通过阈值法，从笛卡尔坐标系下的回波数据
Figure DEST_PATH_IMAGE022AAA
中剔除海尖峰的干扰，记为
Figure DEST_PATH_IMAGE024AAAAAA
；
步骤4)，对
Figure DEST_PATH_IMAGE024AAAAAAA
进行叠加的局部Radon变换，利用Radon变换方向角的最大值得到内波的传播方向，记为
Figure DEST_PATH_IMAGE026AAAA
；
步骤5)，对剔除海尖峰后的回波数据
Figure DEST_PATH_IMAGE024AAAAAAAA
进行逆向旋转
Figure DEST_PATH_IMAGE026AAAAA
，并利用时间平均来求内波的传播速度
Figure DEST_PATH_IMAGE028A
；
步骤6)，利用内波的传播速度对内波包络进行对齐求平均，然后采用峰值法和过零点，求内波的包络个数
Figure DEST_PATH_IMAGE030AA
和波长
Figure DEST_PATH_IMAGE032AA
。
进一步的，所述步骤（1）具体过程为：对每幅雷达回波数据
Figure DEST_PATH_IMAGE006AAAA
沿和
Figure DEST_PATH_IMAGE014AAAA
方向上分别求平均并用最小二乘法来拟合，记为
Figure DEST_PATH_IMAGE034AA
和，然后，在回波数据
Figure DEST_PATH_IMAGE006AAAAA
的
Figure DEST_PATH_IMAGE012AAAAA
方向上减掉
Figure DEST_PATH_IMAGE034AAA
和
Figure DEST_PATH_IMAGE014AAAAA
方向上减掉
Figure DEST_PATH_IMAGE036AAA
，记为。
进一步的，所述步骤（2）具体过程为：回波数据从极坐标形式
Figure DEST_PATH_IMAGE038AAA
转换为笛卡尔形式，其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE042A
为海面水平正东方向，
Figure DEST_PATH_IMAGE044A
为海面水平正北方向；为雷达天线入射角。
进一步的，所述步骤（3）具体过程为：对回波数据
Figure DEST_PATH_IMAGE040AAAA
求均值
Figure DEST_PATH_IMAGE048A
，其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE050A
为索引，
Figure DEST_PATH_IMAGE052A
为雷达斜距方向上的点数，
Figure DEST_PATH_IMAGE054A
为雷达天线方位视向角离散化的点数；将海尖锋的阈值设为
Figure DEST_PATH_IMAGE056AA
，对回波数据
Figure DEST_PATH_IMAGE040AAAAA
逐一搜索，若数据值大于
Figure DEST_PATH_IMAGE056AAA
，则用
Figure DEST_PATH_IMAGE058AA
窗口的中心覆盖当前标记的海尖峰，然后用该
Figure DEST_PATH_IMAGE058AAA
窗口（不含中心处）的均值来替代海尖锋的数据值，剔除海尖峰后的回波数据记为
Figure DEST_PATH_IMAGE024AAAAAAAAA
。
进一步的，所述步骤（4）具体过程为：对剔除海尖峰后的回波数据记为进行叠加的局部Radon变换， ，其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE062A
为狄拉克函数，
Figure DEST_PATH_IMAGE064AA
为Radon变换投影的距离，
Figure DEST_PATH_IMAGE066A
为Radon变换投影的方向角，
Figure DEST_PATH_IMAGE068A
为局部Radon变换窗口的尺寸，
Figure DEST_PATH_IMAGE070A
为Radon变换数据的重复率，其取值范围为
Figure DEST_PATH_IMAGE072A
，
Figure DEST_PATH_IMAGE074A
，
Figure DEST_PATH_IMAGE076A
，
Figure DEST_PATH_IMAGE078A
，
Figure DEST_PATH_IMAGE080A
；对函数
Figure DEST_PATH_IMAGE082A
求方差后并沿着
Figure DEST_PATH_IMAGE064AAA
方向求平均，记为
Figure DEST_PATH_IMAGE084AA
，则函数
Figure DEST_PATH_IMAGE084AAA
的最大值所对应的
Figure DEST_PATH_IMAGE086A
求平均后就是内波的传播方向
Figure DEST_PATH_IMAGE026AAAAAA
，以正东方向为参考。
进一步的，所述步骤（5）具体过程为：对剔除海尖峰后的回波数据进行逆向旋转
Figure DEST_PATH_IMAGE026AAAAAAA
，使得内波传播方向与
Figure DEST_PATH_IMAGE088AA
轴平行，记为
Figure DEST_PATH_IMAGE090AA
，对沿
Figure DEST_PATH_IMAGE088AAA
方向求平均得到
Figure DEST_PATH_IMAGE092AAA
，计算时刻内
Figure DEST_PATH_IMAGE092AAAA
的最大值所偏移的距离，则内波的传播速度
Figure DEST_PATH_IMAGE098A
。
进一步的，所述步骤（6）具体过程为：利用内波的传播速度，对内波包络进行对齐，得到
Figure DEST_PATH_IMAGE100A
，然后进行时间的平均得到增强的内波包络，利用峰值法和过零点得到内波包络的个数
Figure DEST_PATH_IMAGE030AAA
和波长
Figure DEST_PATH_IMAGE032AAA
参数。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种海态雷达内波参数反演方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1）输入                                                
Figure 2013102981642100001DEST_PATH_IMAGE001
幅时间分辨率为
Figure 27859DEST_PATH_IMAGE002
的海态雷达极坐标形式的回波数据
Figure 2013102981642100001DEST_PATH_IMAGE003
，其中，
Figure 801780DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 2013102981642100001DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure 666968DEST_PATH_IMAGE006
为雷达斜距，
Figure 2013102981642100001DEST_PATH_IMAGE007
为雷达天线方位视向角，其取值范围为
Figure 117410DEST_PATH_IMAGE008
，以为参考方向，并指向正东；通过最小二乘法剔除雷达斜坡的影响，记为
Figure 763155DEST_PATH_IMAGE010
；
步骤2）将剔除雷达斜坡后的极坐标形式的回波
Figure 12870DEST_PATH_IMAGE010
转换到笛卡尔坐标系下，记为
Figure 2013102981642100001DEST_PATH_IMAGE011
；
步骤3)，通过阈值法，从笛卡尔坐标系下的回波数据
Figure 811193DEST_PATH_IMAGE011
中剔除海尖峰的干扰，记为
Figure 120952DEST_PATH_IMAGE012
；
步骤4)，对
Figure 2013102981642100001DEST_PATH_IMAGE013
进行叠加的局部Radon变换，利用Radon变换方向角的最大值得到内波的传播方向，记为
Figure 191676DEST_PATH_IMAGE014
；
步骤5)，对剔除海尖峰后的回波数据
Figure 307400DEST_PATH_IMAGE012
进行逆向旋转
Figure 2013102981642100001DEST_PATH_IMAGE015
，并利用时间平均来求内波的传播速度
Figure 147180DEST_PATH_IMAGE016
；
步骤6)，利用内波的传播速度对内波包络进行对齐求平均，然后采用峰值法和过零点，求内波的包络个数
Figure DEST_PATH_IMAGE017
和波长
Figure 962861DEST_PATH_IMAGE018
。
2.根据权利要求1所述的海态雷达内波参数反演方法，其特征在于，所述步骤（1）具体过程为：对每幅雷达回波数据
Figure 255302DEST_PATH_IMAGE003
沿
Figure 174717DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 869003DEST_PATH_IMAGE007
方向上分别求平均并用最小二乘法来拟合，记为
Figure DEST_PATH_IMAGE019
和，然后，在回波数据
Figure 378930DEST_PATH_IMAGE003
的方向上减掉
Figure DEST_PATH_IMAGE021
和方向上减掉
Figure 473291DEST_PATH_IMAGE020
，记为。
3.根据权利要求1所述的海态雷达内波参数反演方法，其特征在于，所述步骤（2）具体过程为：回波数据从极坐标形式
Figure 51909DEST_PATH_IMAGE023
转换为笛卡尔形式
Figure 250809DEST_PATH_IMAGE024
，其中，
Figure 654109DEST_PATH_IMAGE025
为海面水平正东方向，
Figure 913052DEST_PATH_IMAGE026
为海面水平正北方向；
Figure 729698DEST_PATH_IMAGE027
为雷达天线入射角。
4.根据权利要求1所述的海态雷达内波参数反演方法，其特征在于，所述步骤（3）具体过程为：对回波数据
Figure 466710DEST_PATH_IMAGE028
求均值，其中，
Figure 803144DEST_PATH_IMAGE030
为索引，为雷达斜距方向上的点数，
Figure 232989DEST_PATH_IMAGE032
为雷达天线方位视向角离散化的点数；将海尖锋的阈值设为
Figure DEST_PATH_IMAGE033
，对回波数据
Figure 271352DEST_PATH_IMAGE024
逐一搜索，若数据值大于，则用
Figure 455526DEST_PATH_IMAGE034
窗口的中心覆盖当前标记的海尖峰，然后用该
Figure 102276DEST_PATH_IMAGE034
窗口（不含中心处）的均值来替代海尖锋的数据值，剔除海尖峰后的回波数据记为
Figure 831198DEST_PATH_IMAGE012
。
5.根据权利要求1所述的海态雷达内波参数反演方法，其特征在于，所述步骤（4）具体过程为：对剔除海尖峰后的回波数据记为
Figure 910012DEST_PATH_IMAGE013
进行叠加的局部Radon变换， ，其中，
Figure 470307DEST_PATH_IMAGE036
为狄拉克函数，
Figure DEST_PATH_IMAGE037
为Radon变换投影的距离，
Figure 976375DEST_PATH_IMAGE038
为Radon变换投影的方向角，
Figure 5642DEST_PATH_IMAGE039
为局部Radon变换窗口的尺寸，为Radon变换数据的重复率，其取值范围为
Figure DEST_PATH_IMAGE041
，
Figure 302948DEST_PATH_IMAGE042
，
Figure DEST_PATH_IMAGE043
，，
Figure DEST_PATH_IMAGE045
；对函数
Figure 995015DEST_PATH_IMAGE046
求方差后并沿着
Figure DEST_PATH_IMAGE047
方向求平均，记为
Figure 415632DEST_PATH_IMAGE048
，则函数的最大值所对应的
Figure DEST_PATH_IMAGE049
求平均后就是内波的传播方向
Figure 798389DEST_PATH_IMAGE050
，以正东方向为参考。
6.根据权利要求1所述的海态雷达内波参数反演方法，其特征在于，所述步骤（5）具体过程为：对剔除海尖峰后的回波数据
Figure 536669DEST_PATH_IMAGE013
进行逆向旋转
Figure 760977DEST_PATH_IMAGE015
，使得内波传播方向与
Figure 88053DEST_PATH_IMAGE051
轴平行，记为
Figure 434721DEST_PATH_IMAGE052
，对
Figure 847247DEST_PATH_IMAGE052
沿
Figure 609667DEST_PATH_IMAGE051
方向求平均得到
Figure 791250DEST_PATH_IMAGE053
，计算
Figure 558086DEST_PATH_IMAGE054
时刻内
Figure 333275DEST_PATH_IMAGE055
的最大值所偏移的距离
Figure 899386DEST_PATH_IMAGE056
，则内波的传播速度
Figure 935475DEST_PATH_IMAGE057
。
7.根据权利要求1所述的海态雷达内波参数反演方法，其特征在于，所述步骤（6）具体过程为：利用内波的传播速度，对内波包络进行对齐，得到
Figure 11064DEST_PATH_IMAGE058
，然后进行时间的平均得到增强的内波包络，利用峰值法和过零点得到内波包络的个数
Figure 583046DEST_PATH_IMAGE017
和波长
Figure 380101DEST_PATH_IMAGE060
参数。
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