CN107422320B - 一种消除降雨对x波段雷达观测海浪的影响的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种消除降雨对X波段雷达观测海浪的影响的方法，包括两部分：第一部分是从波浪场的主模态中提取波峰和波谷的位置；第二部分是从原始雷达图像中提取波峰的强度值。本发明了解决现有技术中X波段雷达在降雨时无法观测海浪信息的问题，为降雨时近岸的海洋活动和船只的安全航行等提供保障。

Description

一种消除降雨对X波段雷达观测海浪的影响的方法

技术领域

本发明属于海洋遥感技术领域，具体地涉及一种消除降雨对X波段雷达观测海浪的影响的方法。

背景技术

海浪是最常见的海洋现象之一，它不仅影响着港口航道建设、渔业生产等海洋活动，也是海气能量交换、气候变化等研究中的重要因素，因而海浪的观测具有重要意义。波浪浮标已经被长期用于海浪的业务化观测，但是它们只能获得点或线的波浪变化、维护费用高、管理困难，尤其是在人们关注的特殊环境或者海况下可能无法使用；声学多普勒观测波浪的方法则对使用环境和海况等有较多限制，而且安装困难。卫星遥感(如雷达高度计和合成孔径雷达)能获得大面积的波高分布，但是其时间和空间分辨率差，卫星的重复访问周期长。X波段雷达具有高时间和空间分辨率，能够全天时、全天候观测海面，近年来被广泛应用于海浪的观测中。

使用X波段雷达观测海浪主要有两种方式。第一种是利用非相参的导航X波段雷达，它向海面发射电磁波并接收后向散射回波的强度，由于Bragg散射及倾斜调制、阴影调制、流体力学调制等调制因素的影响，海浪在雷达图像中形成清晰的明暗相间的条纹，再利用一定的反演算法从海浪条纹中提取定量的海浪信息，常用的算法包括三维傅里叶变换、正交函数分解等。第二种是利用相参X波段雷达观测海浪，相参雷达可以记录海面回波的强度和相位信息，根据多普勒效应可以从回波的相位中获得海面的径向速度，由于径向速度与海浪的运动直接相关，从而可以提取海浪信息。这两种方法反演海浪的波高和海面风场等参数都是基于回波强度的空间变化(如雷达图像的信噪比、阴影变化等[1])，因而清晰的海浪图像非常重要。但是，由于X波段的电磁波受降雨的影响容易衰减，导航X波段雷达和相参X波段雷达在降雨时都无法准确对海面成像，通常只能将降雨等恶劣海况下的观测作为异常值剔除[2]，而这些情况对于近岸的海洋活动和船只的安全航行等是非常重要的。因此，发明一种简单易行的消除降雨对X波段雷达图像影响的方法，以解决现有技术中X波段雷达在降雨时无法观测海浪信息的问题已成为本技术领域中急待解决的技术问题。

参考文献：

[1]Rune Gangeskar,An algorithm for estimation of wave height fromshadowing in X-band radar sea surface images,IEEE Transactions on Geoscienceand Remote Sensing,52(6):3373-3381,2014

[3]Lund,Bjorn,Hans C.Graber,and Roland Romeiser.2012."Wind retrievalfrom shipborne nautical X-band radar data."IEEE Trans.Geosci.Remote Sensing50(10):3800-11.doi:10.1109/TGRS.2012.2186457。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种简单易行的消除降雨对X波段雷达图像影响的方法，以解决现有技术中X波段雷达在降雨时无法观测海浪信息的问题。

本发明采用的技术方案为：一种消除降雨对X波段雷达观测海浪的影响的方法，包括以下步骤：

步骤1：选取受降雨影响的X波段雷达图像序列I(r,θ,t)，对该雷达图像序列作经验正交函数分解，利用第一主模态重构波浪场I_r(r,θ)，其中，I(r,θ,t)是雷达图像的强度值，r为图像中的点到雷达的距离，θ是方位角，t为采集数据的时间；

步骤2：对重构波浪场的一条径向廓线I_r(r,θ₀)作复数连续小波变换，得到复数小波系数C(a,b)，其中θ₀为选取的径向方向，a和b为小波变换的尺度参数和平移参数；

步骤3：对复小波系数的模|C(a,b)|沿平移参数b积分，

根据方程(1)找到最大模对应的尺度参数a_m，其中|·|表示模，b₁和b₂是最小和最大平移参数；

步骤4：找出复小波系数的辐角arg(C(a_m,b))的极大值，其极值点r_i就是径向廓线I_r(r,θ₀)的极大值点，其中，arg(·)表示辐角，n是极大值的数量，i＝1,2,…,n；

步骤5：对于相邻的两个极大值点之间的径向廓线，用以下函数进行拟合：

其中，r_i≤r≤r_i+1，i＝1,2,…,n-1；a_i、b_i和c_i是待定系数，可以用最小二乘法得到；m是正整数，一般可以取为2；根据方程(2)，确定该区间的极小值点r_j，其中r_i≤r_j≤r_i+1；

步骤6：从原始雷达图像中选取方位角θ₀方向的径向强度I(r,θ₀)，运用步骤2～步骤4中的方法找出其极大值I(r_k,θ₀)，即雷达图像中的波峰位置，其中r_k是极大值的位置，利用线性插值将其转换到区间r_i≤r_k≤r_i+1；

步骤7：对于相邻两个极大值之间的区域，将步骤5确定的极小值处的回波强度置为1，即：I(r_j,θ₀)＝1，则该区间内共有两个极大值和一个极小值；用正弦函数拟合极大值r_i和极小值r_j之间的区域r_i≤r≤r_j，

I'(r,θ₀)＝a'sin(b'r+c')+d', (3)

其中，r_i≤r≤r_j,i＝1,2,…,n-1；各系数分别为：

d'＝a'+1。

对于极小值r_j和极大值r_i+1之间的区域r_j≤r≤r_i+1，其中i＝1,2,…,n-1，同样用方程(3)拟合，得到该区间的强度值I'(r,θ₀)；重复该步骤得到径向θ₀的所有回波强度值，即校正降雨影响后的回波强度；

步骤8：对于不同的径向θ，重复步骤2～步骤7，可以得到消除降雨影响后的海面回波图像I'(r,θ)。

作为优选，步骤2所述的复数连续小波变换中，小波母函数为复高斯小波函数：

其中，x是自变量，e是指数，i是虚数单位，c为使方程(4)满足归一化条件的常数。

有益效果：由于X波段的电磁波受降雨的影响容易衰减，导航X波段雷达和相参X波段雷达在降雨时都无法准确对海面成像，通常只能将降雨时的观测作为异常值剔除。本发明提出一种简单易行的消除降雨对X波段雷达图像影响的方法，解决现有技术中X波段雷达在降雨时无法观测海浪信息的问题，为降雨时近岸的海洋活动和船只的安全航行等提供保障。

附图说明

图1是本发明的流程图。

图2是降雨时X波段雷达图像中一个径向的回波强度(灰度值)和消除降雨影响后的强度变化。

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，本发明的一种消除降雨对X波段雷达观测海浪的影响的方法包括两部分：第一部分是从波浪场的主模态中提取波峰和波谷的位置；第二部分是从原始雷达图像中提取波峰的强度值。下面结合实例详细说明本发明技术方案中所涉及的各个细节问题。

第一部分：重构波浪场的主模态，提取波峰和波谷的位置信息。

步骤1：选取受降雨影响的X波段雷达图像序列(其中的一条径向廓线如图2)，对该雷达图像序列作经验正交函数分解，得到波浪场的不同模态；利用第一主模态重构波浪场I_r(r,θ)，其中，I(r,θ,t)是雷达图像的强度值(灰度值)，r为图像中的点到雷达的距离，θ是方位角，t为采集数据的时间；

步骤2：选取重构波浪场的一个径向廓线I_r(r,θ₀)，对该廓线作复数连续小波变换，使用复高斯小波函数作为小波母函数：

其中，x是自变量，e是指数，i是虚数单位，c为使方程满足归一化条件的常数，从而得到复数小波系数C(a,b)，其中θ₀为选取的径向方向，尺度参数a取为1～64，b为小波变换的平移参数；

步骤3：对复小波系数的模|C(a,b)|沿平移参数b积分，

根据该方程找到最大模对应的尺度参数a_m，其中|·|表示模，b₁和b₂是最小和最大平移参数；

步骤4：找出复小波系数的辐角arg(C(a_m,b))的极大值，其极值点r_i就是径向廓线I_r(r,θ₀)的极大值点，其中，arg(·)表示辐角，图2中的极大值的数量n＝14，i＝1,2,…,n；

步骤5：对于相邻的两个极大值点之间的径向廓线，用以下函数进行拟合：

其中，r_i≤r≤r_i+1，i＝1,2,…,n-1；a_i、b_i和c_i是待定系数，可以用最小二乘法得到；m是正整数，这里取为2；根据方程确定该区间的极小值点r_j，其中r_i≤r_j≤r_i+1；

第二部分：从原始雷达图像中提取波峰的强度。

步骤6：选取原始雷达图像中的一个径向的强度值I(r,θ₀)，如图2中的点划线所示。运用步骤2～步骤4的方法找出其极大值I(r_k,θ₀)，即雷达图像中的波峰位置，其中r_k是极大值的位置，利用线性插值将其转换到区间r_i≤r_k≤r_i+1；

步骤7：对于相邻两个极大值之间的区域，将步骤5确定的极小值处的回波强度置为1，即：I(r_j,θ₀)＝1，则该区间内共有两个极大值和一个极小值；用正弦函数拟合极大值r_i和极小值r_j之间的区域r_i≤r≤r_j：

I'(r,θ₀)＝a'sin(b'r+c')+d',

其中，r_i≤r≤r_j,i＝1,2,…,n-1；各系数分别为：

d'＝a'+1。

对于极小值r_j和极大值r_i+1之间的区域r_j≤r≤r_i+1，其中i＝1,2,…,n-1，同样用该方程拟合，得到该区间的强度值I'(r,θ₀)；重复该步骤得到径向θ₀的所有回波强度值，如图2中的实线所示。

步骤8：对于不同的径向θ，重复步骤2～步骤7，可以得到消除降雨影响后的海面回波图像I'(r,θ)。

根据图2可以看出，原始的雷达回波强度中有几个明显的峰值，其强度达到120～180，但是由于降雨的影响曲线中无波谷信息，无法准确反应海浪的变化；经过本发明的方法对原始数据做校正后，得到的曲线中保留了波峰信息，同时给出了波谷的位置和强度，与无降雨时海面的回波变化更为一致。

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 (2)

1.一种消除降雨对X波段雷达观测海浪的影响的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：选取受降雨影响的X波段雷达图像序列的强度值I(r，θ，t)，对该雷达图像序列的强度值作经验正交函数分解，利用第一主模态重构波浪场I_r(r，θ)，其中，r为图像中的点到雷达的距离，θ是方位角，t为采集数据的时间；

步骤2：对重构波浪场的一条径向廓线I_r(r，θ₀)作复数连续小波变换，得到复数小波系数C(a，b)，其中θ₀为选取的径向所在的方位角，a和b为小波变换的尺度参数和平移参数；

步骤3：对复小波系数的模|C(a，b)|沿平移参数b积分，

根据方程(1)找到最大模对应的尺度参数a_m，其中|·|表示模，b₁和b₂是最小和最大平移参数；

步骤4：找出复小波系数的辐角arg(C(a_m，b))的极大值，其极值点r_i就是径向廓线I_r(r，θ₀)的极大值点，其中，arg(·)表示辐角，n是极大值的数量，i＝1，2，…，n；

步骤5：对于相邻的两个极大值点之间的径向廓线，用以下函数进行拟合：

其中，r_i≤r≤r_i+1，i＝1，2，…，n-1；a_i、b_i和c_i是待定系数，可以用最小二乘法得到；m是正整数，一般可以取为2；确定方程(2)在r_i至r_i+1之间的极小值点r_j，其中r_i≤r_j≤r_i+1；

步骤6：从原始雷达图像中选取方位角为θ₀的径向的强度值I(r，θ₀)，运用步骤2～步骤4中的方法找出其极大值I(r_k，θ₀)，即雷达图像中的波峰位置，其中r_k是极大值的位置，利用线性插值将其转换到区间r_i≤r_k≤r_i+1；

步骤7：对于相邻两个极大值之间的区域，将步骤5确定的极小值处的回波强度置为1，即：I(r_j，θ₀)＝1，则该区间内共有两个极大值和一个极小值；用正弦函数拟合极大值r_i和极小值r_j之间的区域r_i≤r≤r_j，得到：

I′(r，θ₀)＝a′sin(b′r+c′)+d′， (3) 其中，r_i≤r≤r_j，i＝1，2，…，n-1，各系数分别为：

d′＝a′+1，I(r_i，θ₀)是在方位角θ₀、极大值r_i处的强度值；

对于极小值r_j和极大值r_i+1之间的区域r_j≤r≤r_i+1，其中i＝1，2，…，n-1，同样用方程(3)拟合，得到该区间的强度值I′(r，θ₀)；重复步骤7得到方位角为θ₀的径向的所有回波强度值，即校正降雨影响后的回波强度；

步骤8：对于不同方位角θ处的径向强度值，重复步骤2～步骤7，可以得到消除降雨影响后的海面回波图像的强度值I′(r，θ)。

2.根据权利要求1所述的一种消除降雨对X波段雷达观测海浪的影响的方法，其特征在于：步骤2所述的复数连续小波变换中，小波母函数为复高斯小波函数：

其中，x是自变量，e是指数，i是虚数单位，c为使方程(4)满足归一化条件的常数。

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