CN104133208A - 一种基于相参x波段雷达图像的海浪破碎率提取方法 - Google Patents

Abstract

一种基于相参X波段雷达图像的海浪破碎率提取方法，包括获取相参X波段雷达复图像；在时间域求复图像的复相关函数；基于该复相关函数求解上述雷达复图像的相位差，并得到相位差图像；对相位差图像进行Radon变换，得到海浪相速度；对复相关函数进行短时FFT变换，得到该复相关函数的短时Doppler频谱；基于上述短时Doppler频谱计算海浪的轨道速度；进而获取整个测量海域的海浪破碎率。本发明显著降低了海浪破碎率提取过程中的计算量，提高了速度；其相参X波段雷达不受复杂海洋环境条件的限制；且相参X波段雷达有效作用距离远大于照相机，获取的海浪破碎率更能反映真实的统计特征。

Description

一种基于相参X波段雷达图像的海浪破碎率提取方法

技术领域

本发明涉及相参X波段雷达的海洋应用领域，尤其涉及一种基于相参X波段雷达图像的海浪破碎率提取方法。

背景技术

海浪破碎是广袤海洋中海浪所发生的一种重要的海洋现象。海浪破碎是海浪能量衰减的一种主要物理机制，同时，海浪破碎还显著加强了海洋-大气之间的动量、能量及气体的交换；另外，海浪破碎时因其水质点速度较大，因而对海上或海岸工程的破坏力大，故该现象在海洋工程领域也备受关注。海浪破碎率则是描述海浪破碎这一重要海域现象的基本统计特征参数。海浪破碎率是计算海浪破碎强度、破碎历经时间、海中气泡分布等统计参量的基本参数，因而海浪破碎率不但在海洋工程中备受关注，而其还具有重要的物理意义和科学价值。

由于海浪破碎现象涉及海洋动力学、热力学及表面科学，另外，海浪破碎的非线性特征及时间上的间歇性进一步致使海浪破碎过程更为复杂。因而，目前有关海浪破碎现象的研究仍然是立足于现场观测的基础上进行的。目前的通过照相机拍摄海面获得海浪破碎率的方法主要存在的问题包括：其一，拍摄的海面面积较小；其二，照相机仰角致使照片上近景和远景端空间比例不均匀，从而在造成较大误差；其三，当风浪较大时，应用照相机拍摄获取海浪破碎率的方法也会受到平台的限制；另外，照相机在夜间工作时效果不佳。

相参X波段雷达是一种可以安装在海岸、舰船及海中平台上的一种主动微波探测器。相参X波段雷达发射的微波信号经海面散射后再被雷达天线所接收，通过该海面回波信号的强度和相位即可以获取海面波浪信息。由于微波能有效穿透雾、雨滴且不受光照影响，因而，即使在黑夜和恶劣天气条件下仍然可以工作，另外，与照相机相比，相参X波段雷达的有效观测距离超过4海里，因而能够实现大面积海域破碎海浪的观测，获得更为准确的海浪破碎率。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于相参X波段雷达图像的海浪破碎率提取方法，能在复杂海洋环境条件下，能够实现大面积海域破碎海浪的观测，获得准确的海浪破碎率，以克服现有技术的不足。

一种基于相参X波段雷达图像的海浪破碎率提取方法，包括：

1)获取待测量海域的相参X波段雷达复图像；

将相参X波段雷达设置在船上或海岸上，通过向海面发射相参雷达脉冲，获取天线波束固定指向的时间域雷达复图像，或者获取天线波束扫描模式下的海面扇形回波雷达复图像；

其特征在于还包括以下步骤：

2)在时间域求上述X波段雷达复图像的复相关函数；

3)基于该复相关函数求解上述雷达复图像的相位差，并得到相位差图像；

4)对相位差图像进行Radon变换，得到海浪相速度；

5)对复相关函数进行短时FFT变换，得到该复相关函数的短时Doppler频谱；

6)基于上述短时Doppler频谱计算海浪的轨道速度，并获得待测量海域每个分辨单元的海浪最大轨道速度；

7)结合步骤4的海浪相速度、步骤6的海浪最大轨道速度和海浪破碎的运动学判据——当轨道速度大于相速度时即该分辨单元的海浪破碎，从而获取整个测量海域的海浪破碎率。

所述步骤2)中，X波段雷达复图像的复相关函数为：

R(τ)＝E[S(r,t+τ)S^*(r,t)]；

其中，S(r,t)和S(r,t+τ)分别表示为相参X波段雷达在t和t+τ时刻获取的海面固定分辨单元r处的复后向散射场，τ为雷达采样时间间隔，符号(^*)表示为对复散射场取共轭；

所述步骤3)中，雷达复图像的相位差定义为：

其中，符号Im()和Re()分别表示取复数的虚部和实部；

所述步骤4)中，所述Radon变换函数Ω(θ,ρ)为：

其中，D为大小为N_R和N_t窗口，δ为狄拉克函数，ρ为(r,t)平面直线到原点距离，θ为原点到直线的垂线与t轴的夹角；

经Radon变换得到的海浪相速度为：

$U=\frac{\mathrm{\Δr}}{\mathrm{\ΔT}}=\frac{N_R\mathrm{\γ}}{N_t\mathrm{\τ}\tan \left({\mathrm{\θ}}_{\max }\right)},$

其中，ΔT时间间隔，Δr为该时间间隔内海浪传播距离，N_R和N_t分别为Radon变换所选子窗口在距离和时间两个维度方向上窗口的大小，γ为相参雷达距离分辨率，θ_max表示Radon变换函数Ω(θ,ρ)的极大值点所对应的极角θ；

所述步骤5)中，经短时FFT变换得到的短时Doppler频谱为：

$P(t,f)=\underset{-\mathrm{\ΔT}/2}{\overset{\mathrm{\ΔT}/2}{\∫}}R\left(\mathrm{\τ}\right)\exp (-j2\mathrm{\πf\τ})\mathrm{d\τ},$

其中，R(τ)是时间区间[t-ΔT2,t+ΔT2]内数据时间序列的负相关函数，f为多普勒频率；

所述步骤6)中，海浪的轨道速度为：

$V=\frac{(f-f_B)\mathrm{\λ}}{2\sin {\mathrm{\θ}}_i},$

其中，λ为雷达波波长，为Bragg多普勒频移，g为重力加速度常数，θ_i是雷达入射角度；

所述步骤7)中，海浪破碎的运动学判据为：

V≥U，即当轨道速度大于相速度时该分辨单元海浪破碎，从而获取该测量海域的海浪破碎率。

本发明的原理为：根据海浪破碎的运动学判据，海浪破碎时，破碎区域水质点的水平运动速度大于海浪的相速度(波浪传播速度)。当将相参X波段雷达天线指向进行固定，进行长时间观测时，即可获得相参X波段雷的距离-时间域回波复图像，将该图像对时间取相关函数，通过该相关函数即可获得不同时刻回波的相位差图像，利用该相位差图像，并结合Radon变换即可获得海浪的相速度。另外，我们通过将距离向各空间分辨单元回波的时间序列分别进行短时频谱分析，即可获得各空间分辨单元回波的短时Doppler频谱。由于Doppler频谱的频移和分辨单元内小散射质元的运动速度直接相关，因而通过多普勒频移与运动速度之间的关系，即可获得该分辨单元内小散射质元的运动速度情况。应用海浪破碎的运动学判据，如果分辨单元内小散射质元的运动速度大于海浪的相速度，则该雷达分辨单元内的海浪判断为已经破碎，通过将破碎区域与总海域相比，即可获得海浪破碎率。

本发明主要优点包括：(1)在短时Doppler频谱的计算过程中采用了快速傅立叶变换(FFT)，从而显著降低了海浪破碎率提取过程中的计算量，提高了速度；(2)相对于传统应用照相机拍摄海浪图片获取海浪破碎率的方法相比，相参X波段雷达不受复杂海洋环境条件的限制，而复杂海洋环境下的海浪破碎率恰恰是海洋工程和海洋科学领域更为关心的科学问题；(3)相参X波段雷达有效作用距离远大于照相机，获取的海浪破碎率更能反映真实的统计特征。

附图说明：

图1为基于相参X波段雷达图像的海浪破碎率提取方法的流程示意图；

图2应用3×3窗口滤波后的相位差图像；

图3Radon变换几何示意图,

其中图3a为x-y平面中的Radon变换的积分路径；图3b为Radon变换后所得θ-ρ平面；

图4距离向第五分辩单元的短时Doppler频谱图像；

图5海浪破碎区域提取结果。

具体实施方式

参见图1，本实施例包括以下步骤：

1)获取待测量海域的相参X波段雷达复图像；

将相参X波段雷达设置在船上或海岸上，通过向海面发射相参雷达脉冲，获取天线波束固定指向的时间域雷达复图像，或者获取天线波束扫描模式下的海面扇形回波雷达复图像；

其特征在于还包括以下步骤：

2)在时间域求上述X波段雷达复图像的复相关函数；

3)基于该复相关函数求解上述雷达复图像的相位差，并得到相位差图像；

4)对相位差图像进行Radon变换，得到海浪相速度；

5)对复相关函数进行短时FFT变换，得到该复相关函数的短时Doppler频谱；

6)基于上述短时Doppler频谱计算海浪的轨道速度，并获得待测量海域每个分辨单元的海浪最大轨道速度；

7)结合步骤4的海浪相速度、步骤6的海浪最大轨道速度和海浪破碎的运动学判据——当轨道速度大于相速度时即该分辨单元的海浪破碎，从而获取整个测量海域的海浪破碎率。

所述步骤2)中，图像的复相关函数为：

R(τ)＝E[S(r,t+τ)S^*(r,t)]；

其中，S(r,t)和S(r,t+τ)分别表示为相参雷达在t和t+τ时刻获取的海面固定分辨单元r处的复后向散射场，τ为雷达采样时间间隔，在本具体实施过程中根据雷达采样特征，取τ＝0.0011秒，附图中就对应于该值，其中符号(^*)表示为对复散射场取共轭。

所述步骤3)中，雷达图像数据的相位差定义为：

其中，符号Im()和Re()分别表示取复数的虚部和实部。由于海浪的随机性，从而致使相参X波段雷达回波的相位差具有一定随机性，为了消除这种统计上均值为零的随机相位的影响，在具体实施过程中对获得的相位差图像进行了窗口大小为3×3的均值滤波处理，滤波后的相位差图像如图2。

所述步骤4)中，海浪相速度为：

$U=\frac{\mathrm{\Δr}}{\mathrm{\ΔT}}=\frac{N_R\mathrm{\γ}}{N_t\mathrm{\τ}\tan \left({\mathrm{\θ}}_{\max }\right)},$

其中，ΔT时间间隔，Δr为该时间间隔内海浪传播距离，N_R和N_t分别为Radon变换所选子窗口在距离和时间两个维度方向上窗口的大小，在本实施例的实际过程中，我们取N_R＝5，N_t＝600。由于相参雷达获取的距离－时间图像在距离向采样稀疏，而时间采样频率很高，因而为了在应用Radon变换求解海浪相速度时，距离方向通过线性插值，使得采样数为原采样数的10倍，插值后的窗口大小变为(10N_R,N_t)，γ为相参雷达距离分辨率，在具体实施过程中根据雷达距离向分辨率，γ＝15米，θ_max表示Radon变换函数Ω(θ,ρ)的极大值点所对应的极角θ。

所述Radon变换函数Ω(θ,ρ)为：

其中，D为大小为N_R和N_t窗口，δ为狄拉克函数，ρ为(r,t)平面直线到原点距离，θ为原点到直线的垂线与t轴的夹角，Radon变换的几何示意图见图3。

所述步骤5)中，短时Doppler频谱为：

$P(t,f)=\underset{-\mathrm{\ΔT}/2}{\overset{\mathrm{\ΔT}/2}{\∫}}R\left(\mathrm{\τ}\right)\exp (-j2\mathrm{\πf\τ})\mathrm{d\τ},$

其中，R(τ)是时间区间[t-ΔT2,t+ΔT2]内数据时间序列的负相关函数，f为多普勒频率。在具体实施过程中，本实施例中考虑到破碎海浪的相关时间较短，取ΔT＝0.2816秒，所得短时Doppler谱见图4。

所述步骤6)中，轨道速度为：

$V=\frac{(f-f_B)\mathrm{\λ}}{2\sin {\mathrm{\θ}}_i},$

其中，λ为雷达波波长，为Bragg多普勒频移，g为重力加速度常数，θ_i是雷达入射角度。

所述步骤7)中，海浪破碎的运动学判据为：

V≥U。

在实施时，如果海浪分辩单元速度的最大值超过相速度，那么就判定该分辩单元内的波浪已经破碎，检测结果如图5，其中白色高亮区域为海浪破碎区，所得海浪覆盖率为0.165。

本发明提供了一种基于相参X波段雷达图像的海浪破碎率提取方法，本发明的原理为：根据海浪破碎的运动学判据，海浪破碎时，破碎区域水质点的水平运动速度大于海浪的相速度(波浪传播速度)。当将相参X波段雷达天线指向进行固定，进行长时间观测时，即可获得相参X波段雷的距离-时间域回波复图像，将该图像对时间取相关函数，通过该相关函数即可获得不同时刻回波的相位差图像，利用该相位差图像，并结合Radon变换即可获得海浪的相速度。另外，我们通过将距离向各空间分辨单元回波的时间序列分别进行短时频谱分析，即可获得各空间分辨单元回波的短时Doppler频谱。由于Doppler频谱的频移和分辨单元内小散射质元的运动速度直接相关，因而通过多普勒频移与运动速度之间的关系，即可获得该分辨单元内小散射质元的运动速度情况。应用海浪破碎的运动学判据，如果分辨单元内小散射质元的运动速度大于海浪的相速度，则该雷达分辨单元内的海浪判断为已经破碎，通过将破碎区域与总海域相比，即可获得海浪破碎率。

以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员科技在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为在本发明保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于相参X波段雷达图像的海浪破碎率提取方法，包括：

1)获取待测量海域的相参X波段雷达复图像；

将相参X波段雷达设置在船上或海岸上，通过向海面发射相参雷达脉冲，获取天线波束固定指向的时间域雷达复图像，或者获取天线波束扫描模式下的海面扇形回波雷达复图像；

其特征在于还包括以下步骤：

2)在时间域求上述X波段雷达复图像的复相关函数；

3)基于该复相关函数求解上述雷达复图像的相位差，并得到相位差图像；

4)对相位差图像进行Radon变换，得到海浪相速度；

5)对复相关函数进行短时FFT变换，得到该复相关函数的短时Doppler频谱；

6)基于上述短时Doppler频谱计算海浪的轨道速度，并获得待测量海域每个分辨单元的海浪最大轨道速度；

7)结合步骤4的海浪相速度、步骤6的海浪最大轨道速度和海浪破碎的运动学判据——当轨道速度大于相速度时即该分辨单元的海浪破碎，从而获取整个测量海域的海浪破碎率。

2.如权利要求1所述的基于相参X波段雷达图像的海浪破碎率提取方法，其特征在于

所述步骤2)中，X波段雷达复图像的复相关函数为：

R(τ)＝E[S(r,t+τ)S^*(r,t)]；

其中，S(r,t)和S(r,t+τ)分别表示为相参X波段雷达在t和t+τ时刻获取的海面固定分辨单元r处的复后向散射场，τ为雷达采样时间间隔，符号(^*)表示为对复散射场取共轭；

所述步骤3)中，雷达复图像的相位差定义为：

其中，符号Im()和Re()分别表示取复数的虚部和实部。

3.如权利要求1所述的基于相参X波段雷达图像的海浪破碎率提取方法，其特征在于

所述步骤4)中，所述Radon变换函数Ω(θ,ρ)为：

其中，D为大小为N_R和N_t窗口，δ为狄拉克函数，ρ为(r,t)平面直线到原点距离，θ为原点到直线的垂线与t轴的夹角；

经Radon变换得到的海浪相速度为：

$U=\frac{\mathrm{\Δr}}{\mathrm{\ΔT}}=\frac{N_R\mathrm{\γ}}{N_t\mathrm{\τ}\tan \left({\mathrm{\θ}}_{\max }\right)},$

其中，ΔT时间间隔，Δr为该时间间隔内海浪传播距离，N_R和N_t分别为Radon变换所选子窗口在距离和时间两个维度方向上窗口的大小，γ为相参雷达距离分辨率，θ_max表示Radon变换函数Ω(θ,ρ)的极大值点所对应的极角θ。

4.如权利要求1所述的基于相参X波段雷达图像的海浪破碎率提取方法，其特征在于

所述步骤5)中，经短时FFT变换得到的短时Doppler频谱为：

$P(t,f)=\underset{-\mathrm{\ΔT}/2}{\overset{\mathrm{\ΔT}/2}{\∫}}R\left(\mathrm{\τ}\right)\exp (-j2\mathrm{\πf\τ})\mathrm{d\τ},$

其中，R(τ)是时间区间[t-ΔT2,t+ΔT2]内数据时间序列的负相关函数，f为多普勒频率；

所述步骤6)中，海浪的轨道速度为：

$V=\frac{(f-f_B)\mathrm{\λ}}{2\sin {\mathrm{\θ}}_i},$

其中，λ为雷达波波长，为Bragg多普勒频移，g为重力加速度常数，θ_i是雷达入射角度。

5.如权利要求1所述的基于相参X波段雷达图像的海浪破碎率提取方法，其特征在于

所述步骤7)中，海浪破碎的运动学判据为：

V≥U，即当轨道速度大于相速度时该分辨单元海浪破碎，从而获取该测量海域的海浪破碎率。