CN108646245A - 一种基于同极化sar数据的海浪参数反演方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于同极化SAR数据的海浪参数反演方法，包括获取海面的全极化后向散射系数；利用后向散射系数求得距离向斜率；对距离向斜率FFT变换，在频域中除以距离向波数ikx得到表面轮廓频谱；基于距离向斜率谱峰值连线求得海浪传播方向角、主波波长及周期；对表面轮廓频谱进行IFFT，得到表面轮廓图并计算有效波高；对表面轮廓求方位向偏导得到方位向斜率图；对表面轮廓频谱乘iω得到z方向速度频谱；对z方向速度频谱进行IFFT得到z方向速度图；利用海浪传播方向角计算x、y方向速度；本发明只需计算距离向斜率即可求得海面轮廓，无需计算方位向斜率极大简化了海面高度轮廓求解；可利用海面高度轮廓求方位向斜率，简洁明了。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于同极化SAR数据的海浪参数反演方法，具体说是基于全极化合成孔径雷达(SAR)数据及微扰法求解海面轮廓及计算海浪各参量，属于合成孔径雷达(SAR)的海洋应用领域。
背景技术
海浪是海洋中的一种时刻发生的波动现象，其类型主要包括风浪和涌浪。风浪是由风直接作用下产生的波动，涌浪是指由风浪传播出风浪区后形成的波浪。海浪作为海洋中极为重要的一种海洋现象，是海洋生产建设、海上军事活动、研究全球气候及海洋现象必须考虑的基本海洋现象。
海面作为时变的随机粗糙面，与电磁波之间的相互作用十分复杂。SAR海面成像可以通过双尺度理论及微扰法解释。双尺度理论假设粗糙海面由比入射波长大和比入射波长小的两种尺度粗糙面构成，小尺度粗糙面是按照表面大尺度粗糙面的斜率分布来倾斜的。微扰法基于Rayleigh假设，认为海面轮廓可以用远离边界的许多平面波叠加表示。在双尺度理论下可用微扰法计算小尺度粗糙面的散射系数，而大尺度斜率分布可以通过求集平均求得。一般认为海浪是由小尺度的毛细波和大尺度的重力波构成，分别对应于风浪及涌浪，小尺度毛细波“骑行”在大尺度重力波上，这符合双尺度理论假设。
SAR成像主要受倾斜调制、流体力学调制及速度聚束调制。倾斜调制是指由于SAR接收的回波信号是局地入射角的函数，因此大尺度的长波轨道变化引起入射角变化，进而调制后向散射系数，表现为图像纹理调制；SAR通过Bragg散射对海浪成像，小尺度的短波影响SAR回波强度。流体力学调制指长波和短波的流体力学相互作用对短尺度的Bragg波能量和波数调制引起的后向散射强度调制；SAR是通过相干积分成像以获得方位向高分辨率，因此对沿飞行方向的径向运动十分敏感。速度聚束指由于沿径向运动的目标会引起回波多普勒频移，因此图像中海面有径向速度分量的散射点会发生大小方向不一的位移，导致SAR图像分辨单元在真实场景中位置有所不同，随着速度聚束效应增强，这种位移会显著增强，造成SAR海浪成像存在由速度聚束效应造成的图像像素位移，对相关应用及研究带来极大的困难。
相较于传统现场监测以及光学遥感等手段，合成孔径雷达(SAR)作为一种主动微波遥感手段，具有全天时、全天候、高分辨率、监测范围大等明显优势，能很好地用于监测大范围海浪状况。而全极化SAR可提供大量极化信息用于反演海浪波长、波向、有效波高、周期等参数。
发明内容
本发明旨在提供种一种基于同极化SAR数据的海浪参数反演方法，能在复杂海况以及中小雷达入射角情况下，利用后向散射系数求解距离向及方位向斜率，获取海面高度轮廓以及计算得到海浪各参量。
一种基于同极化SAR数据的海浪参数反演方法，包括:
1)获取待测海面的全极化合成孔径雷达几何校正、辐射定标后图像：
将机载或星载全极化合成孔径雷达L1级单视复影像数据利用线性插值进行几何校正，利用附带定标参数辐射定标，获得HH通道和VV通道后向散射系数图像；
2)利用VV通道后向散射系数变化量与VV通道后向散射系数均值比减去HH通道后向散射系数变化量与HH通道后向散射系数的均值比得到距离向斜率图像；该图像中横向为距离向，纵向为方位向；
其特征在于还包括以下步骤：
3)对得到的距离向斜率图像做二维FFT变换，得到距离向斜率二维频谱，在二维频域中对距离向斜率二维频谱逐列除以距离向波数ikx(m,n)，得到目标海面的表面轮廓的二维频谱；
4)在距离向斜率二维频谱中找到两个峰值，连线，求得连线与距离向的夹角作为海浪传播方向角，求得连线长度作为海浪主波波数k，计算得到主波波长λ及周期T；
5)对步骤3)得到的表面轮廓的二维频谱进行二维IFFT，得到目标海面的表面轮廓图；
6)根据海面的表面轮廓图计算有效波高H；
7)对海面轮廓图沿方位向求偏导得到方位向斜率；
8)对步骤3)得到的表面轮廓的二维频谱乘以iω(m,n)，得到z方向速度二维频谱；
9)对z方向速度二维频谱进行二维IFFT，得到目标海面的海浪z方向速度图；
10)利用得到的海浪z方向速度图和步骤4)求得的海浪传播方向角，根据几何关系计算海浪的x方向速度分量和海浪的y方向速度分量。
所述步骤1)中，后向散射系数为：
其中k(m,n)代表波矢，ω(m,n)代表频率，r＝(m,n)，m，n分别表示雷达的观测方向和飞行方向，即图像的横向和纵向，对于二维海面，需沿飞行方向和观测方向累加；t为观测时间；是散射截面的空间平均值，ξ(m,n)是振幅，是真实孔径雷达调制传输函数，它包括倾斜调制流体力学调制极化方向角调制速度聚束调制pp表示雷达发射和接收的极化方式，p＝h,v分别表示水平、垂直极化传输方式。当pp为水平极化或垂直极化时，由极化方向角调制导致的海面倾斜消失，故此时因此，对于SAR而言，可表示为：
pp＝hh或vv。
所述步骤2)中因为对于VV通道和HH通道后向散射系数主要变化量来源于倾斜调制项，因此用两个通道后向散射变化量相减可减去流体力学调制距离向聚束调制和速度聚束调制调制函数项对后向散射系数影响。因此VV通道后向散射系数变化量与VV通道后向散射系数均值比减去HH通道后向散射系数变化量与HH通道后向散射系数的均值比为：
其中Δσvv和Δσhh分别是VV/HH通道后向散射系数变化量，和分别是VV/HH通道后向散射系数均值；和分别表示VV极化和HH极化回波的倾斜调制函数。根据Bragg共振散射理论，和的表达式分别为：
其中kx(m,n)代表距离向波数，θ代表入射角；
综上可得：
因此距离向斜率为：
是距离向斜率。表示求偏导。
所述步骤3)中海面轮廓为：
其中z(r,t)是海面轮廓；
对海面轮廓求距离向偏导得到距离向斜率：
其中是距离向斜率，kx(m,n)代表距离向波数，代表频率，g是重力加速度。
所述步骤4)中海浪主波波数k为：
其中|·|表示求模值，kx(m,n)代表距离向波数，ky(m,n)代表方位向波数；
主波波长为：
其中k代表主波波数，为标量；
主波周期为：
其中ω代表频率；
所述步骤6)中有效波高H为：
其中a是系数，一般取4，代表海面高度均值的平方，代表海面高度平方的均值。
所述步骤7)中方位向斜率定义为对海面高度轮廓求y方向偏导：
其中是方位向斜率，ky(m,n)代表方位向波数；对所述步骤5)中得到的海面高度轮廓求y方向偏导即可得到方位向斜率，求偏导时采用海面高度轮廓图中逐列逐像素地以该像素相邻行元素值中心差分值近似为该点导数值，作为该点距离向斜率；当该像素位于边界处时，以该像素相邻行元素值的前向差分值或后向差分值近似为该点导数值，作为该点距离向斜率；
中心差分定义为：
其中fc(x)代表该点中心差分值，f(x+Δx)和f(x-Δx)分别代表相邻两点函数值。方位向斜率见图6；
前向差分定义为：
其中ff(x)代表该点前向差分值，f(x+Δx)和f(x)分别代表前向点和所求点函数值；
后向差分定义为：
其中fb(x)代表该点前向差分值，f(x)和f(x-Δx)分别代表所求点和该点后向点函数值。
所述步骤8)中海浪z方向速度为：
同上所述Vz代表z方向速度；
所述步骤10)中海浪速度的x方向、y方向分量为：
其中Vx、Vy分别是速度x方向、y方向分量，是图像中海浪传播方向角。
本发明的原理是：根据双尺度理论假设以及微扰法，合成孔径雷达海浪成像受到倾斜调制、流体力学调制以及速度聚束调制。而海面高度轮廓和后向散射截面变化可以根据微扰法用正弦波分量的线性叠加表示。这些调制中只有倾斜调制依赖雷达极化，因此用垂直极化后向散射系数平均变化量减去水平极化后向散射系数平均变化量就可以得到距离向斜率及距离向斜率谱。事实上，对海面轮廓求距离向偏导可得距离向斜率，对海面轮廓求方位向偏导可得方位向斜率，对海面轮廓求时间偏导可得z方向速度，因此可以通过二维频域中对距离向斜率谱除以距离向波数ikx得到海面轮廓二维频谱；对海面轮廓二维频谱乘iω得到散射单元z方向速度分量。再通过几何关系得到x方向速度分量和y方向速度分量。主波波数可通过距离向或方位向斜率峰值连线求得，海浪传播方向角可以通过该峰值连线与距离向夹角得到。
本发明的主要优点包括：(1)只需计算出距离向斜率即可求得海面轮廓。极大简化了海面高度轮廓求解步骤。(2)可以利用距离向斜率二维频谱除以距离向波数后乘方位向波数求得方位向斜率，物理意义明确，无需利用其它方法以及近似假设求解方位向斜率，简洁明了。
附图说明:
图1为基于同极化SAR数据的海浪参数反演方法的流程的示意图；
图2为求得的距离向斜率图像；
图3为距离向斜率二维频谱及峰值连线(图中黑色实线)图像；
图4为选取主波成分的表面轮廓的二维频谱图像；
图5为求得海面高度轮廓图像；
图6为求得方位向斜率图像；
图7为求得z方向速度图像；
图8为x/y方向速度分量与z方向速度几何关系示意图。
具体实施方式
参见图1，本实例包括以下步骤：
1)获取待测海面的全极化合成孔径雷达几何校正、辐射定标后图像：
将机载或星载全极化合成孔径雷达L1级单视复影像数据利用线性插值进行几何校正，利用附带定标参数辐射定标，获得HH通道和VV通道后向散射系数图像；
2)利用VV通道后向散射系数变化量与VV通道后向散射系数均值比减去HH通道后向散射系数变化量与HH通道后向散射系数的均值比得到距离向斜率图像；该图像中横向为距离向，纵向为方位向；
其特征在于还包括以下步骤：
3)对得到的距离向斜率图像做二维FFT变换，得到距离向斜率二维频谱，在二维频域中对距离向斜率二维频谱逐列除以距离向波数ikx(m,n)，得到目标海面的表面轮廓的二维频谱；
4)在距离向斜率二维频谱中找到两个峰值，连线，求得连线与距离向的夹角作为海浪传播方向角，求得连线长度作为海浪主波波数k，计算得到主波波长λ及周期T；
5)对步骤3)得到的表面轮廓的二维频谱进行二维IFFT，得到目标海面的表面轮廓图；
6)根据海面的表面高度轮廓图计算有效波高H；
7)对海面高度轮廓沿方位向求偏导得到方位向斜率；
8)对步骤3)得到的表面轮廓的二维频谱乘以iω(m,n)，得到z方向速度二维频谱；
9)对z方向速度二维频谱进行二维IFFT，得到目标海面的海浪z方向速度图；
10)利用得到的海浪z方向速度图和步骤4)求得的海浪传播方向角，根据几何关系计算海浪的x方向速度分量和海浪的y方向速度分量。
所述步骤1)中，后向散射系数为：
其中k(m,n)代表波矢，ω(m,n)代表频率，r＝(m,n)，m，n分别表示雷达的观测方向和飞行方向，即图像的横向和纵向，对于二维海面，需要沿飞行方向和观测方向累加；t为观测时间；是散射截面的空间平均值，ξ(m,n)是振幅，是真实孔径雷达调制传输函数，它包括倾斜调制流体力学调制极化方向角调制和速度聚束调制pp表示雷达发射和接收的极化方式，p＝h,v分别表示水平、垂直极化传输方式。当pp为水平极化或垂直极化时，由极化方向角调制导致的海面倾斜消失，故此时因此，对于SAR而言，可表示为：
pp＝hh或vv
在本实例具体实施过程中，选取512×512尺寸大小radarsat-2全极化合成孔径雷达数据作为研究区域，该数据场景中心有一加拿大浮标C46205。校正几何形变时采用对距离向逐列使用线性插值的方法进行校正，辐射定标定义为：
其中σ是定标后得到的后向散射系数，B是预设值，通常取0，A是定标系数。
所述步骤2)中因为对于VV通道和HH通道后向散射系数主要变化量来源于倾斜调制项，因此用两个通道后向散射变化量相减可减去流体力学调制距离向聚束调制和速度聚束调制调制函数项对后向散射系数影响。因此VV通道后向散射系数变化量与VV通道后向散射系数均值比减去HH通道后向散射系数变化量与HH通道后向散射系数的均值比为：
其中Δσvv和Δσhh分别是VV/HH通道后向散射系数变化量，和分别是VV/HH通道后向散射系数均值；和分别表示VV极化和HH极化回波的倾斜调制函数。根据Bragg共振散射理论，和的表达式分别为：
其中kx(m,n)代表距离向波数，θ代表入射角；
综上可得：
因此距离向斜率为：
是距离向斜率。表示求偏导。；
由于合成孔径雷达海浪图像存在相干斑噪声，使得距离向斜率数据存在起伏，为了消除这种噪声的影响，在具体实施过程中采用窗口为5×5的中值滤波器对得到的距离向斜率进行了滤波。距离向斜率见图2。
所述步骤3)中海面轮廓为：
其中z(r,t)是海面轮廓；
对海面轮廓求距离向偏导得到距离向斜率：
其中是距离向斜率，kx(m,n)代表距离向波数，代表频率，g是重力加速度。
在具体实施过程中，对步骤2中得到的二维斜率图做FFT变换；对二维FFT变换后频谱图先做频移，使得低频分量位于图像中心，再除以距离向波数ikx(m,n)。由于图像中心距离向波数值为0，因此除以距离向波数ikx(m,n)后频谱图中心列出现异常值，需要挖出频谱图中海浪主波部分，以去除异常值影响。之后得到海表轮廓的二维频谱。距离向斜率谱见图3；频谱图中海浪主波示意见图4。
所述步骤4)中海浪主波波数k为：
其中kx(m,n)代表距离向波数，ky(m,n)代表方位向波数；
主波波长为：
其中k代表主波波数，为标量；
主波周期为：
其中ω代表频率。距离向斜率谱及峰值连线(图中黑色实线)见图3。本实例计算主波波长425m，周期16.4982s，与浮标数据吻合较好。
所述步骤5)中海面高度轮廓见图5。在具体过程中由步骤3中得到的海面轮廓二维频谱做二维IFFT变换得到海面高度轮廓。
所述步骤6)中有效波高H定义为：
其中a是系数，一般取4，代表海面高度均值的平方，代表海面高度平方的均值。
所述步骤7)中方位向斜率定义为对海面高度轮廓求y方向偏导：
其中是方位向斜率，ky(m,n)代表方位向波数；对所述步骤5)中得到的海面高度轮廓求y方向偏导即可得到方位向斜率，求偏导时采用海面高度轮廓图中逐列逐像素地以该像素相邻行元素值中心差分值近似为该点导数值，作为该点距离向斜率；当该像素位于边界处时，以该像素相邻行元素值的前向差分值或后向差分值近似为该点导数值，作为该点距离向斜率；在本实例实施过程中，对512×512的每个像素逐列求中心差分，特别的，对第1行所有像素求y方偏导时采用前向差分作为第1行元素斜率值；对第512行所有像素求y方向偏导时采用后向差分作为第512行元素斜率值，以此得到所有点的斜率值。
中心差分定义为：
其中f′c(x)代表该点中心差分值，f(x+Δx)和f(x-Δx)分别代表相邻两点函数值。方位向斜率见图6；
前向差分定义为：
其中f′f(x)代表该点前向差分值，f(x+Δx)和f(x)分别代表前向点和所求点函数值；
后向差分定义为：
其中f′b(x)代表该点前向差分值，f(x)和f(x-Δx)分别代表所求点和该点后向点函数值。
所述步骤8)中z方向速度为：
同上所述Vz代表z方向速度。为了保证z方向速度的二维频谱四个象限对应复共轭，在本实例具体操作中需以中心点为原点，沿距离向向右为x周正方向建立直角坐标系，一、三象限乘iω，二、四象限乘-iω。同样也需要挖出频谱图中海浪主波部分，以去除异常值影响。
所述步骤9)中得到海浪的z方向速度见图7。
所述步骤10)中海浪速度的x方向、y方向分量为：
其中Vx、Vy分别是速度x方向、y方向分量，是图像中海浪传播方向角。为获取海浪传播方向角，利用所述步骤3)中得到的距离向斜率二维频谱，找到频谱中两个峰值点，峰值点连线与距离向夹角即为所需海浪传播方向角。由于这种方法存在180°模糊，无法确定海浪是沿峰值连线正方向抑或沿负方向传播。因此在本实例具体实施过程中利用场景中心加拿大浮标数据作为辅助参量，确定海浪传播方向角。各速度分量几何关系见图8。
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 (7)
1.一种基于同极化SAR数据的浪参数反演方法，包括：
1)获取待测海面的全极化合成孔径雷达几何校正、辐射定标后图像：
将机载或星载全极化合成孔径雷达L1级单视复影像数据利用线性插值进行几何校正，利用附带定标参数辐射定标，获得HH通道和VV通道后向散射系数图像；
2)利用VV通道后向散射系数变化量与VV通道后向散射系数均值比减去HH通道后向散射系数变化量与HH通道后向散射系数的均值比得到距离向斜率图像；该图像中横向为距离向，纵向为方位向；
其特征在于还包括以下步骤：
3)对得到的距离向斜率图像做二维FFT变换，得到距离向斜率二维频谱，在二维频域中对距离向斜率二维频谱逐列除以距离向波数ikx(m,n)，得到目标海面的表面轮廓的二维频谱；
4)在距离向斜率二维频谱中找到两个峰值，连线，求得连线与距离向的夹角作为海浪传播方向角，求得连线长度作为海浪主波波数k，计算得到主波波长λ及周期T；
5)对步骤3)得到的表面轮廓的二维频谱进行二维IFFT，得到目标海面的表面轮廓图；
6)根据海面的表面轮廓图计算有效波高H；
7)对海面轮廓图沿方位向求偏导得到方位向斜率；
8)对步骤3)得到的表面轮廓的二维频谱乘以iω(m,n)，得到z方向速度二维频谱；
9)对z方向速度二维频谱进行二维IFFT，得到目标海面的海浪z方向速度图；
10)利用得到的海浪z方向速度图和步骤4)求得的海浪传播方向角，根据几何关系计算海浪的x方向速度分量和海浪的y方向速度分量。
2.如权利要求1所述的基于同极化SAR数据的浪参数反演方法，其特征在于：
所述步骤1)中，后向散射系数为：
其中k(m,n)代表波矢，ω(m,n)代表频率，r＝(m,n)，m，n分别表示雷达的观测方向和飞行方向，即图像的横向和纵向，对于二维海面，需沿飞行方向和观测方向累加；t为观测时间；是散射截面的空间平均值，ξ(m,n)是振幅，是真实孔径雷达调制传输函数，它包括倾斜调制流体力学调制极化方向角调制速度聚束调制pp表示雷达发射和接收的极化方式，p＝h,v分别表示水平、垂直极化传输方式；当pp为水平极化或垂直极化时，由极化方向角调制导致的海面倾斜消失，故此时因此，对于SAR而言，可表示为：
pp＝hh或vv。
所述步骤2)中因为对于VV通道和HH通道后向散射系数主要变化量来源于倾斜调制项，因此用两个通道后向散射变化量相减可减去流体力学调制距离向聚束调制和速度聚束调制调制函数项对后向散射系数影响；因此VV通道后向散射系数变化量与VV通道后向散射系数均值比减去HH通道后向散射系数变化量与HH通道后向散射系数的均值比为：
其中Δσvv和Δσhh分别是VV/HH通道后向散射系数变化量，和分别是VV/HH通道后向散射系数均值；和分别表示VV极化和HH极化回波的倾斜调制函数；根据Bragg共振散射理论，和的表达式分别为：
其中kx(m,n)代表距离向波数，θ代表入射角。
综上可得：
因此距离向斜率为：
是距离向斜率。表示求偏导。
3.如权利要求1所述的基于同极化SAR数据的海浪参数反演方法，其特征在于：
所述步骤3)中得到的海面轮廓为：
其中z(r,t)是海面轮廓；
对海面轮廓求距离向偏导得到距离向斜率：
其中是距离向斜率，kx(m,n)代表距离向波数，代表频率，g是重力加速度。
4.如权利要求1所述的基于同极化SAR数据的海浪参数反演方法，其特征在于：
所述步骤4)中海浪主波波数k为：
其中|·|表示求模值，kx(m,n)代表距离向波数，ky(m,n)代表方位向波数；
主波波长为：
其中k代表主波波数，为标量；
主波周期为：
其中ω代表主波频率；
所述步骤6)中有效波高H为：
其中a是系数，一般取4，代表海面高度均值的平方，代表海面高度平方的均值。
5.如权利要求4所述的基于同极化SAR数据的海浪参数反演方法，其特征在于：
所述a系数，一般取4。
6.如权利要求1所述的基于同极化SAR数据的海浪参数反演方法，其特征在于：
所述步骤7)中方位向斜率为对海面高度轮廓求y方向偏导：
其中是方位向斜率，ky(m,n)代表方位向波数；对所述步骤5)中得到的海面高度轮廓求y方向偏导即可得到方位向斜率，求偏导时采用海面高度轮廓图中逐列逐像素地以该像素相邻行元素值中心差分值近似为该点导数值，作为该点距离向斜率；当该像素位于边界处时，以该像素相邻行元素值的前向差分值或后向差分值近似为该点导数值，作为该点距离向斜率；
中心差分定义为：
其中f′c(x)代表该点中心差分值，f(x+Δx)和f(x-Δx)分别代表相邻两点函数值；
前向差分定义为：
其中f′f(x)代表该点前向差分值，f(x+Δx)和f(x)分别代表前向点和所求点函数值；
后向差分定义为：
其中f′b(x)代表该点前向差分值，f(x)和f(x-Δx)分别代表所求点和该点后向点函数值。
7.如权利要求1所述的基于同极化SAR数据的海浪参数反演方法，其特征在于：所述步骤8)中z方向速度为：
同上所述Vz代表z方向速度；
所述步骤10)中海浪速度的x方向、y方向分量为：
其中，Vx、Vy分别是速度x方向、y方向分量，是图像中海浪传播方向角。
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