CN111257886A - 一种利用单幅船载x波段雷达图像反演海浪参数的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用单幅船载X波段雷达图像反演海浪参数的方法，包括以下步骤：选取反演区域，X波段雷达采集一幅灰度图像，选取相同距离、不同方位角的区域1和区域2；将区域1和区域2中雷达图像的灰度值分别插值到直角坐标系中，然后进行傅里叶变换，得到区域1的波数谱和区域2的波数谱，找出区域1和区域2各自的波数谱的峰值及其对应的波数分量，求出区域1和区域2的峰值波数和峰值波向；根据区域1和区域2的波数谱，求峰值波数和峰值波向；判断并消除峰值波向的方向模糊；选取主波波向附近的方向，对其灰度值积分，求得相关海浪参数。本方法通过实时采集灰度图像，并对其提取相关参数进行计算分析，能够实时获得海浪参数的变化。

Description

一种利用单幅船载X波段雷达图像反演海浪参数的方法
技术领域
本发明属于海洋遥感技术领域，具体涉及一种利用单幅船载X波段雷达图像反演海浪参数的方法。
背景技术
海浪是最常见的海洋现象之一，它对船只的安全航行、航线的规划等具有重要影响。常用的海浪观测方式是波浪浮标，但是它只能获得局地点或线上的波浪变化，并且一般需要锚定到固定位置、不能用于船载观测。遥感技术也被用于海浪的观测，星载波谱仪是一种新型的海浪谱观测仪器，具有观测范围大的优点，但是其产品还不成熟、时间和空间分辨率低，还不能满足业务应用的需求；相参和非相参X波段雷达广泛用于船只的导航，它们具有高时间和空间分辨率的优点，并且能够全天时、全天候观测海面，近年来被用于海浪参数的观测中。
使用相参和非相参X波段雷达可以获得海面的后向散散强度图像，相参X波段雷达还可以获得其相位图像，利用雷达图像估算海浪参数的算法主要有以下几种：一是基于傅里叶变换[1-3]，首先对雷达图像序列做三维傅里叶变换获得图像谱，然后根据海浪理论和调制传递函数将其转换为海浪谱，进而获得海浪的峰值周期、峰值波长、峰值波向和有效波高等参数；二是基于经验正交函数分解获得雷达图像序列的主成分，再结合随机海浪理论估算海浪参数。这些方法都需要用雷达在一段时间内观测的图像序列，一般为32幅或64幅图像组成的序列，当雷达的信噪比较低时需要512幅图像，从而降低了观测数据的实时性；另外，船只航行还会导致观测区域的位置不断变化、传统的调制传递函数不适用等问题，这给海浪的实时观测带来很大困难，而观测参数的实时性对于船只的安全航行很重要。因此，发明一种简单易行的利用单幅船载X波段雷达图像反演海浪参数的方法，以解决现有技术中只能利用长时间内的X波段雷达图像序列反演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。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种利用单幅船载X波段雷达图像反演海浪参数的方法。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种利用单幅船载X波段雷达图像反演海浪参数的方法，其中：包括以下步骤：
步骤一：选取反演区域：X波段雷达采集一幅灰度图像I(r，θ)，其中，r为海面的点到雷达的距离，θ是方位角；选取相同距离、不同方位角的区域1和区域2；
步骤二：将区域1和区域2中雷达图像的灰度值分别插值到直角坐标系中，然后进行傅里叶变换，得到区域1的波数谱S1(kx，ky)和区域2的波数谱S2(kx，ky)，其中kx和ky分别为沿直角坐标的x方向和y方向的波数；
步骤三：找出区域1的波数谱的峰值S1max及其对应的波数分量kx1和ky1，求出区域1的峰值波数和峰值波向：
Figure BDA0002421150770000021
Figure BDA0002421150770000022
找出区域2的波数谱的峰值S2max及其对应的波数分量kx2和ky2，求出区域2的峰值波数和峰值波向：
Figure BDA0002421150770000023
Figure BDA0002421150770000024
步骤四：根据区域1和区域2的波数谱，求峰值波数kmax和峰值波向θmax；如果
S1max＞S2max，则kmax＝k1max，θmax＝θ1max；如果S1max≤S2max，则kmax＝k2max，θmax＝θ2max；然后结合海浪理论，计算得到波浪的主波波长L和主波周期T；
步骤五：判断峰值波向θmax是否存在180°方向模糊，并对其消除方向模糊：
对于雷达图像的每个方位向，分别对径向的灰度值积分：
Figure BDA0002421150770000025
其中，r1和r2分别为观测区域到雷达的最小距离和最大距离，如果Ir(θmax)＞Ir(θmax+180°)，则主波波向为θm＝θmax；否则，主波波向为θm＝θmax+180°。
步骤六：选取主波波向附近的方向，对其灰度值积分：
Figure BDA0002421150770000031
其中，Δθ为方向的增量；
则海浪的有效波高为：
h＝a+b.std(Ia(r′))，r1≤r′≤r2，(7)
其中，h为有效波高，std表示标准差；a和b为待定系数，可以用浮标定标来确定。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
上述的区域1的方位角为θ1～θ1+30°，区域2的方位角为θ2～θ2+30°，且θ1和θ2满足：120°≤|θ1-θ2|≤150°。
10、上述的步骤四确定波浪的主波波长L和主波周期T的方法为：
Figure BDA0002421150770000032
Figure BDA0002421150770000033
其中：g为重力加速度，d为观测海区的水深。
上述的步骤五中观测区域的最小距离r1和最大距离r2的范围均为500m～1000m，步骤六中方向的增量Aθ的取值范围为15°～30°。
本发明的有益效果：
本发明一种利用单幅船载X波段雷达图像反演海浪参数的方法，相对于传统算法只是处理一段时间内的雷达图像序列，且船只航行时观测的区域不断变化，传统的调制传递函数不再适用，本方法通过实时采集灰度图像，并对其提取相关参数进行计算分析，能够实时获得海浪参数的变化，解决了现有技术中船载X波段雷达无法实时观测海浪信息的问题，为船只的安全航行提供保障。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2是船载X波段雷达观测图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
如图1所示，本发明为本发明的一种利用单幅船载X波段雷达图像反演海浪参数的方法主要包括三部分：第一部分是选取不同位置的图像，获取海浪谱和峰值参数；第二部分是估算峰值波向并去除方向模糊；第三部分是估算海浪的有效波高。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。
图2是船载X波段雷达观测的一幅图像，其中0°指向正北方向。
步骤1：选取反演区域：对于图2所示的X波段雷达灰度图像I(r，θ)，其中，r为海面的点到雷达的距离，θ是方位角；选取距离雷达500～1000m、不同方位角的两个区域：区域1的方位角为θ1～θ1+30°，区域2的方位角为θ2～θ2+30°，其中，120°≤|θ1-θ2|≤150°；
步骤2：将区域1和区域2中雷达图像的灰度值分别插值到直角坐标系中，然后对它们作傅里叶变换，得到区域1的波数谱S1(kx，ky)和区域2的波数谱S2(kx，ky)，其中kx和ky分别为沿直角坐标的x方向和y方向的波数；
步骤3：找出区域1的波数谱的峰值S1max及其对应的波数分量kx1和ky1，求出区域1的峰值波数和峰值波向：
Figure BDA0002421150770000041
Figure BDA0002421150770000042
用同样的方法，找出区域2的波数谱的峰值S2max及其对应的波数分量kx2和ky2，求出区域2的峰值波数和峰值波向：
Figure BDA0002421150770000043
Figure BDA0002421150770000051
步骤4：根据区域1和区域2的波数谱，求峰值波数kmax和峰值波向θmax：如果S1max＞S2max，则kmax＝k1max，θmax＝θ1max；如果S1max≤S2max，则kmax＝k2max，θmax＝θ2max；结合海浪的频散关系，得到波浪的主波波长L和主波周期T为：
Figure BDA0002421150770000052
Figure BDA0002421150770000053
其中，g为重力加速度，d为观测海区的水深；
步骤五：根据步骤四确定的图2的θmax存在方向模糊，即可能为90°或者270°，利用以下方法消除模糊：对于雷达图像的每个方位向，分别对径向的灰度值积分：
Figure BDA0002421150770000054
其中，r1和r2为海面观测区域到雷达的最小距离和最大距离，且取值范围均在500m～1000m。
如果Ir(θmax)＞Ir(θmax+180°)，则主波波向选取为θm＝θmax；否则，主波波向选取为θm＝θmax+180°，从而可以确定图2中的主波波向为90°；
步骤6：选取主波波向附近的方向，对其灰度值积分：
Figure BDA0002421150770000055
其中，Δθ为方向的增量，一般可以取15°～30°；
则海浪的有效波高为：
h＝a+b·std(Ia(r′))，r1≤r′≤r2，
其中，h为有效波高，std表示标准差；a和b为待定系数，可以用浮标定标来确定。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种利用单幅船载X波段雷达图像反演海浪参数的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：选取反演区域，X波段雷达采集一幅灰度图像I(r，θ)，其中，r为海面的点到雷达的距离，θ是方位角；选取相同距离、不同方位角的区域1和区域2；
步骤二：将区域1和区域2中雷达图像的灰度值分别插值到直角坐标系中，然后进行傅里叶变换，得到区域1的波数谱S1(kx，ky)和区域2的波数谱S2(kx，ky)，其中kx和ky分别为沿直角坐标的x方向和y方向的波数；
步骤三：找出区域1的波数谱的峰值S1max及其对应的波数分量kx1和ky1，求出区域1的峰值波数和峰值波向；找出区域2的波数谱的峰值S2max及其对应的波数分量kx2和ky2，求出区域2的峰值波数和峰值波向：
步骤四：根据区域1和区域2的波数谱，求峰值波数kmax和峰值波向θmax；然后结合海浪的频散关系，计算得到波浪的主波波长L和主波周期T；
步骤五：消除峰值波向的180°方向模糊；
步骤六：选取主波波向附近的方向，对其灰度值积分，从而计算得到海浪的有效波高。
2.根据权利要求1所述的一种利用单幅船载X波段雷达图像反演海浪参数的方法，其特征在于：所述区域1的方位角为θ1～θ1+30°，区域2的方位角为θ2～θ2+30°，且θ1和θ2满足：120°≤|θ1-θ2|≤150°。
3.根据权利要求2所述的一种利用单幅船载X波段雷达图像反演海浪参数的方法，其特征在于：所述步骤三区域1的峰值波数和峰值波向为：
Figure FDA0002421150760000011
Figure FDA0002421150760000012
所述区域2的峰值波数和峰值波向为：
Figure FDA0002421150760000013
Figure FDA0002421150760000021
4.根据权利要求3所述的一种利用单幅船载X波段雷达图像反演海浪参数的方法，其特征在于：所述步骤四中峰值波数kmax和峰值波向θmax具体为：如果S1max＞S2max，则kmax＝k1max，θmax＝θ1max；如果S1max≤S2max，则kmax＝k2max，θmax＝θ2max；然后结合海浪的频散关系，计算得到波浪的主波波长L和主波周期T。
5.根据权利要求4所述的一种利用单幅船载X波段雷达图像反演海浪参数的方法，其特征在于：确定波浪的主波波长L和主波周期T的方法具体为：
Figure FDA0002421150760000022
Figure FDA0002421150760000023
其中：g为重力加速度，d为观测海区的水深。
6.根据权利要求5所述的一种利用单幅船载X波段雷达图像反演海浪参数的方法，其特征在于：所述步骤五具体为：
对于雷达图像的每个方位向，分别对径向的灰度值积分：
Figure FDA0002421150760000024
其中，r1和r2分别为观测区域到雷达的最小距离和最大距离；如果Ir(θmax)＞Ir(θmax+180°)，则主波波向为θm＝θmax；否则，主波波向为θm＝θmax+180°。
7.根据权利要求6所述的一种利用单幅船载X波段雷达图像反演海浪参数的方法，其特征在于：所述观测区域到雷达的最小距离r1和最大距离r2的范围均为500m～1000m。。
8.根据权利要求7所述的一种利用单幅船载X波段雷达图像反演海浪参数的方法，其特征在于：所述步骤六灰度值积分具体为：
Figure FDA0002421150760000025
其中，Δθ为方向的增量；
海浪的有效波高具体为：
h＝a+b·std(Ia(r′))，r1≤r′≤r2， (7)
其中，h为有效波高，std表示标准差；a和b为待定系数，可以用浮标定标来确定。
9.根据权利要求8所述的一种利用单幅船载X波段雷达图像反演海浪参数的方法，其特征在于：所述方向的增量Δθ的取值范围为15°～30°。
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