CN106990402B - 一种基于波浪理论的导航x波段雷达波群检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于波浪理论的导航X波段雷达波群检测方法，首先对导航X波段雷达图像序列作经验正交函数分解，选取主模态重构波浪场，对波浪场定标得到观测海区中不同位置的波面位移；对于一个径向方向的波面，利用位移梯度的变化检测其极值，根据相邻两个极大值和极小值之差获取不同位置的波高；利用两正弦函数之和拟合相邻极小波高之间的波面，当拟合参数与波浪理论相符时将该区域识别为波群；结合不同时间的观测可得波群的振幅、长度和群速度等参数。本发明首先利用浮标对波浪场的主模态定标，获得观测海区中大面积的波高信息；基于波浪理论利用频率接近的两个正弦函数判断波群，不需要经验选取阈值，具有简单易行、适用范围广泛等优点。

Description

一种基于波浪理论的导航X波段雷达波群检测方法

技术领域

本发明属于海洋遥感技术领域，涉及一种基于波浪理论的导航X波段雷达图像序列波群检测方法。

背景技术

波群是一系列频率接近、沿相同方向运动的简单波的叠加。波群可以激发海上建筑物的共振频率，从而对海上平台、防波堤和船只等造成严重损害。此外，海洋中波浪能量的传播速度等于波群的传播速度。因此，波群的监测对海洋工程和海洋科学研究都具有重要意义。

传统的波群观测方法是利用浮标等仪器对固定点的波面进行连续测量，再对测量值进行分析得到波群参数。这一方法的缺点是只能进行单点测量，而真实海区中的波群是随时间和空间不断变化的；并且浮标等仪器的布放和维护困难、在恶劣条件下容易受到破坏。随着卫星遥感的发展，合成孔径雷达也被用于波群的观测。合成孔径雷达图像具有较高的空间分辨率，可以用于提取波群的包络线，再根据包络线计算波群的波长、波高等参数，常用的包络检测方法包括Hilbert变换、Fourier变换和Contourlet变换等。利用合成孔径雷达图像检测波群主要有以下不足：第一，图像的噪声对包络线的影响较大，从而影响波群参数的反演精度；第二，确定包络线时需要经验选取一个阈值，该阈值直接决定包络线的范围，但是它可能受到海况、雷达成像等多种因素的影响；第三，星载合成孔径雷达观测海面的重复访问周期长、反演波浪谱时具有方向模糊，不适用于波群的实时监测。导航X波段雷达具有全天时、全天候、高时间和空间分辨率的优点，已经被越来越多地用于海浪的观测，包络线方法也可以用于从导航X波段雷达图像中提取波群参数，其存在的问题是：第一，需要经验选取雷达图像的阈值，而该阈值受海况、雷达系统和近岸地形等影响不易确定；第二，导航X波段雷达图像没有经过定标，而常用的浮标定标方法只能用于固定点或者局部区域的定标，因而不能获得大面积海区波群的波高信息。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用导航X波段雷达图像序列提取波群参数的方法，以解决现有技术中导航X波段雷达图像只能获得局部波高、需要经验选取阈值等问题已经成为本技术领域中急需解决的问题。

本发明采用的技术方案为：一种基于波浪理论的导航X波段雷达波群检测方法，首先对导航X波段雷达图像序列作经验正交函数分解，选取主模态重构波浪场，对波浪场定标得到观测海区中不同位置的波面位移；对于一个径向方向的波面，利用位移梯度的变化检测其极值，根据相邻两个极大值和极小值之差获取不同位置的波高；利用两正弦函数之和拟合相邻极小波高之间的波面，当拟合参数与波浪理论相符时将该区域识别为波群；结合不同时间的观测可得波群的振幅、长度和群速度等参数；具体包括以下步骤：

步骤1：对导航X波段雷达图像序列作经验正交函数分解，选取第一模态，利用其时间系数W(r,θ)和空间函数V(r,θ)重构波浪场：

Z(r,θ)＝V(r,θ)·W(r,θ), (1)

其中，r是海面上的点到雷达的距离，θ是方位角；

步骤2：选取浮标在雷达观测海区中的位置(r₀,θ₀)，利用浮标观测的有效波高H_buoy对该点的重构值做定标：

H_buoy(r₀,θ₀)＝A+B·Z(r₀,θ₀), (2)

其中，A和B是待定系数；根据多组导航X波段雷达图像序列和同步观测的浮标数据，利用最小二乘法求解方程(1)确定系数A和B；

步骤3：对于一组导航X波段雷达图像序列，将系数A和B用于重构的波浪场，可得观测海区中不同位置的波面位移：

z(r,θ)＝A+B·Z(r,θ), (3)

步骤4：选取一个径向的波面位移z(r,θ₁)，其中θ₁为该径向的方位角；对相邻五点的位移做滑动平均，然后根据波面位移的梯度检测其极值，利用相邻极大值和极小值之差得到不同位置的波高h_1i(i＝1,2,...,n)，其中n是该方向波高的数量；

步骤5：对波面位移z(r,θ₁)作傅里叶变换得到一维波数谱，根据谱的峰值确定峰值波数k_p，从而得到该径向的峰值波长为：

步骤6：对该径向的所有波高h_1i(i＝1,2,...,n)，根据其梯度变化检测波高的极小值；选取相邻两个极小值之间的波面，用两个正弦函数之和(简称为sin2函数)拟合其位移与距离的关系：

z(r,θ₁)＝a₁·cos(b₁r+c₁)+a₁·cos(b₂r+c₂),(r₁≤r≤r₂), (4)其中，a₁、b₁、c₁、b₂和c₂是拟合的系数，r₁和r₂是相邻的两个极小波高的位置；

如果拟合的方程(4)满足以下条件，则该区域内的波面是波群：

i)拟合优度的确定系数R²≥0.75；

ii)该范围的长度接近一个波群的波群长度，即：

其中，R²是统计学中用于表示拟合优度的参数，Δr＝r₂-r₁是选取的区域的长度；

步骤7：对不同时间的导航X波段雷达图像序列和不同的径向方向，分别应用步骤3～步骤6得到各个波群的位置；

根据方程(4)可得波群的长度为：最大振幅近似为：

根据相邻时间内波群位置的变化，得到波群的群速度为：其中Δt是相邻两个雷达图像序列的时间间隔，ΔR是这段时间内该波群移动的距离。

作为优选，所述步骤6中检测波群的依据是：利用主模态重构的波浪场主要包含峰值频率附近的波浪信息，可以取为振幅相等、频率接近的两个正弦函数之和。

作为优选，所述步骤7中计算群速度时选取相邻时间的雷达图像序列，其时间间隔一般为10～100秒。

有益效果：本发明首先利用浮标对波浪场的主模态定标，获得观测海区中大面积的波高信息；基于波浪理论利用频率接近的两个正弦函数判断波群，不需要经验选取阈值，具有简单易行、适用范围广泛等优点，适合用于波群的实时监测。

附图说明

图1为本发明检测方法的流程框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

如图1所示，一种基于波浪理论的导航X波段雷达波群检测方法，实施过程主要分为两部分：第一部分是对导航X波段雷达图像序列定标获取大面积的波高信息，第二部分是检测波面获得波群参数。

第一部分：利用浮标在单点测量的波高对大面积区域定标

1.选取一组导航X波段雷达图像序列，例如包含32幅图像的图像序列。对32幅图像作经验正交函数分解，选取第一模态，利用其时间系数W(r,θ)和空间函数V(r,θ)重构波浪场：

Z(r,θ)＝V(r,θ)·W(r,θ),

其中，r是海面上的点到雷达的距离，θ是方位角；

2.选取一段时间内的导航X波段雷达图像序列和同步观测的浮标数据，一般可以选取7天～30天的连续观测，每小时一组数据。浮标在观测海区中的位置为(r₀,θ₀)，利用浮标观测的有效波高H_buoy对该点的重构值做定标：

H_buoy(r₀,θ₀)＝A+B·Z(r₀,θ₀),

其中，A和B是待定系数，可以用最小二乘法来确定。

3.对于一组导航X波段雷达图像序列，将系数A和B用于重构的波浪场，可得观测海区中不同位置的波面位移：

z(r,θ)＝A+B·Z(r,θ),

第二部分：检测波面获取波群参数

4.选取一个径向的波面位移z(r,θ₁)，其中θ₁为该径向的方位角；对该径向的位移做五点滑动平均，然后计算波面各点位移的梯度，梯度为0的点为极值点，相邻极大值和极小值之差就是波高h_1i(i＝1,2,...,n)，其中n是该方向波高的数量；

5.对波面位移z(r,θ₁)作傅里叶变换得到一维波数谱，根据谱的峰值位置确定峰值波数k_p，从而得到该径向的峰值波长为：

6.对径向θ₁方向的所有波高计算波高的梯度值，梯度为0的点就是波高的极小值；选取相邻两个极小值点之间的波面，用sin2函数进行拟合其位移与距离：

z(r,θ₁)＝a₁·cos(b₁r+c₁)+a₁·cos(b₂r+c₂),(r₁≤r≤r₂),

其中，a₁、b₁、c₁、b₂和c₂是拟合的系数，r₁和r₂是相邻的两个极小波高的位置；

如果拟合的方程满足以下条件，则该区域内的波面是波群：

i)拟合优度的确定系数R²≥0.75；

ii)该范围的长度接近一个波群的波群长度，即：

其中，R²是统计学中用于表示拟合优度的参数，Δr＝r₂-r₁是选取的区域的长度；不等式右边的2L是为了考虑检测极值的误差，一般可以取为L～3L；

7.对不同的径向方向，分别应用步骤3～步骤6得到各个波群的位置r、波群的长度为最大振幅近似为根据相邻时间内的导航X波段雷达图像序列检测的波群，获取波群的群速度为：其中ΔR是这段时间内该波群移动的距离，Δt是相邻两个雷达图像序列的时间间隔。

以上结合附图对本发明的实施方式做出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的普通技术人员而言，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于波浪理论的导航X波段雷达波群检测方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

步骤1：对导航X波段雷达图像序列作经验正交函数分解，选取第一模态，利用其时间系数W(r,θ)和空间函数V(r,θ)重构波浪场：

Z(r,θ)＝V(r,θ)·W(r,θ), (1)

其中，r是海面上的点到雷达的距离，θ 是方位角；

步骤2：选取浮标在雷达观测海区中的位置(r₀,θ₀)，利用浮标观测的有效波高H_buoy对该点的重构值做定标：

H_buoy(r₀,θ₀)＝A+B·Z(r₀,θ₀), (2)

其中，A和B是待定系数；根据多组导航X波段雷达图像序列和同步观测的浮标数据，利用最小二乘法求解方程(2)确定系数A和B；

步骤3：对于一组导航X波段雷达图像序列，将系数A和B用于重构的波浪场，可得观测海区中不同位置的波面位移：

z(r,θ)＝A+B·Z(r,θ), (3)

步骤4：选取一个径向的波面位移z(r,θ₁)，其中θ₁ 为该径向的方位角；对相邻五点的位移做滑动平均，然后根据波面位移的梯度检测其极值，利用相邻极大值和极小值之差得到不同位置的波高h_1i(i＝1,2,...,n)，其中n是该径向波高的数量；

步骤5：对波面位移z(r,θ₁)作傅里叶变换得到一维波数谱，根据谱的峰值确定峰值波数k_p，从而得到该径向的峰值波长为：

步骤6：对该径向的所有波高h_1i(i＝1,2,...,n)，根据其梯度变化检测波高的极小值；选取相邻两个极小值之间的波面，用两个余弦函数之和拟合其位移与距离的关系：

z(r,θ₁)＝a₁·cos(b₁r+c₁)+a₁·cos(b₂r+c₂),(r₁≤r≤r₂), (4)

其中，a₁、b₁、c₁、b₂和c₂是拟合的系数，r₁和r₂是相邻的两个极小波高的位置；

如果拟合的方程(4)满足以下条件，则选取的区域内的波面是波群：

i)拟合优度的确定系数R²≥0.75；

ii)选取的区域的长度接近一个波群的波群长度，即：

其中，R²是统计学中用于表示拟合优度的参数，Δr＝r₂-r₁是选取的区域的长度；

步骤7：对不同时间的导航X波段雷达图像序列和不同的径向方向，分别应用步骤3～步骤6得到各个波群的位置；

根据方程(4)可得波群的长度为：最大振幅近似为：

根据相邻时间内波群位置的变化，得到波群的群速度为：其中Δt是相邻两个雷达图像序列的时间间隔，ΔR是这段时间内该波群移动的距离。

2.根据权利要求1所述的一种基于波浪理论的导航X波段雷达波群检测方法，其特征在于：所述步骤6中检测波群的依据是：利用主模态重构的波浪场主要包含峰值频率附近的波浪信息，取振幅相等、频率接近的两个余弦函数之和。

3.根据权利要求1所述的一种基于波浪理论的导航X波段雷达波群检测方法，其特征在于：所述步骤7中计算群速度时选取相邻时间的雷达图像序列，其时间间隔为10～100秒。