CN111624599A - 一种航海雷达反演海浪有效波高计算方法 - Google Patents

一种航海雷达反演海浪有效波高计算方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111624599A
CN111624599A CN202010461214.4A CN202010461214A CN111624599A CN 111624599 A CN111624599 A CN 111624599A CN 202010461214 A CN202010461214 A CN 202010461214A CN 111624599 A CN111624599 A CN 111624599A
Authority
CN
China
Prior art keywords
noise ratio
signal
radial distance
included angle
wind
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202010461214.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111624599B (zh
Inventor
卢志忠
郭树渊
李磊
孙雷
张玉莹
文保天
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Harbin Engineering University
Original Assignee
Harbin Engineering University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Harbin Engineering University filed Critical Harbin Engineering University
Priority to CN202010461214.4A priority Critical patent/CN111624599B/zh
Publication of CN111624599A publication Critical patent/CN111624599A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111624599B publication Critical patent/CN111624599B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
    • G01S13/89—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
    • G01S13/93—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes
    • G01S13/937—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes of marine craft
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/02—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
    • G01S7/41—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00 using analysis of echo signal for target characterisation; Target signature; Target cross-section
    • G01S7/414—Discriminating targets with respect to background clutter
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
    • Y02A90/10—Information and communication technologies [ICT] supporting adaptation to climate change, e.g. for weather forecasting or climate simulation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Ocean & Marine Engineering (AREA)
  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)

Abstract

本发明公开了一种航海雷达反演海浪有效波高计算方法，包括步骤1：确定径向距离、风夹角与信噪比之间的拟合关系：离线开展观测试验，利用最小二乘法拟合得到径向距离与信噪比之间的关系和风夹角与信噪比之间的关系；步骤2：计算原始信噪比：对原始雷达图像进行插值预处理、3D FFT、色散关系的带通滤波、MTF得到图像谱和二维海浪谱，计算原始信噪比；步骤3：校正得到标准信噪比：利用信噪比与径向距离、风夹角之间的拟合关系对原始信噪比进行校正，得到标准信噪比；步骤4：计算有效波高。本方法计算的有效波高将不随反演区域的变化而发生大幅度变化，显著地提高了反演精度，增强了算法在实际工程应用中的可靠性和实用性。

Description

一种航海雷达反演海浪有效波高计算方法
技术领域
本发明涉及一种航海雷达反演海浪有效波高计算方法，特别是一种基于距离风夹角校正的航海雷达反演海浪有效波高计算方法，属于海洋遥感技术领域，具体指的是利用通过航海雷达得到的雷达图像进行海浪信息反演的海洋遥感技术领域。
背景技术
随着人类活动范围的不断扩大，海洋已成为人类重要的活动区域，海洋要素中的海浪对人类的活动带来了不可忽视的影响，海浪的实时监测对于保障舰船航行安全、海洋资源开发、海洋工程建设等有着十分重大的意义。目前应用比较广泛地海浪实时监测系统有海洋浮标、SAR卫星、航海雷达等。海洋浮标由于造价昂贵、布置需要特定的条件、只能测量单点的海浪信息等缺点，无法广泛应用与海浪监测中。SAR卫星的运行周期较长、时间分辨率过低，无法进行长时间地定点实时观测，在海浪监测领域的应用中也有一定局限性。航海雷达由于其成本低、应用广泛、时空分辨率高等特点，已成为海浪实时监测领域中的热点研究方向，对航海雷达的研究有着十分现实的意义。
利用航海雷达可以反演海浪的有效波高、波峰峰向、主波周期等参数。目前，通过航海雷达反演海浪参数的算法有谱分解法、阴影法、正交分解法、RT变换法等许多算法，但由于在工程实践中应用的主要算法依然是基于3D FFT的谱分解法。谱分解法是选取雷达图像中的特定区域进行3D FFT变换，然后通过色散关系滤波、积分、调制传递函数等得到海浪谱和信噪比，进而计算得到海浪的各参数的方法。其中，有效波高是利用有效波高与信噪比之间的线性关系得到。
但是，在实际工程实践中发现，利用雷达原始图像中不同区域反演得到的信噪比有所不同。针对此问题，德国商用海浪监测软件WamosII采用的方法是在空间相互间隔120°的3个不同方位选取3个反演区域进行独立计算，然后对得到的二维海浪谱进行算术平均，最终利用平均后的二维海浪谱和对应的图像谱计算信噪比，继而反演有效波高。此方法在一定程度上减小了反演区域对结果精度的影响，但是由于此方法需要满足雷达视场无遮挡的条件，在实际工程应用中有一定的应用限制。另外，反演区域的选择对反演结果的影响并不是简单地线性关系，因此，简单的算术平均并不能精确地消除其的影响。Al-Habashneh等人于2017年提出了一种自适应缩减定位方法(ARPM)来提高传统3D-DFT算法。其具体步骤为：第一步是在原有的雷达视角中相互间隔120°选取3个反演区域，然后分别进行谱分析，得到初始的二维海浪谱。第二步，将第一步中得到的3个二维海浪谱进行算术平均，选取平均后的二维海浪谱的峰值方向为新的反演区域所在方向，并进行谱分析求取二维海浪谱。第三步，将第二步迭代3次，得到最终的二维海浪谱，进而利用最终的二维海浪谱和其对应的图像谱进行信噪比和有效波高的计算。此算法未明确指出反演有效波高的信噪比在空间中的分布特性，且依然存在需要满足雷达视场无遮挡的缺陷。
发明内容
针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种基于距离风夹角校正的航海雷达反演海浪有效波高计算方法，可以精确地消除反演区域选择对有效波高结果的影响，而且在雷达视场存在盲区时仍能够正常工作，有着较强的适应性和可靠性。
为解决上述技术问题，本发明的一种航海雷达反演海浪有效波高计算方法，包括以下步骤：
步骤1：确定径向距离、风夹角与信噪比之间的拟合关系：离线开展观测试验，分别统计不同径向距离条件下的信噪比和不同风夹角条件下的信噪比，分别利用最小二乘法拟合得到径向距离与信噪比之间的关系和风夹角与信噪比之间的关系；
步骤2：计算原始信噪比：对原始雷达图像进行插值预处理、3D FFT、色散关系的带通滤波、MTF得到图像谱和二维海浪谱，利用图像谱和二维海浪谱计算原始信噪比；
步骤3：校正得到标准信噪比：利用步骤1得到的信噪比与径向距离、风夹角之间的拟合关系对原始信噪比进行校正，得到标准信噪比；
步骤4：计算有效波高，有效波高的计算公式为：
Figure BDA0002510980270000021
式中：A，B为拟合直线的系数，SNRT为标准信噪比。
本发明还包括：
1.步骤1具体包括：
步骤1.1：离线开展观测试验，利用雷达图像处理软件加载已完成数字化的空间海域杂波连续图像，记录雷达图像采集时间，图像采样点数，并同步记录对应时间点的风向信息；
步骤1.2：利用离线得到的原始图像数据，选定一个固定风夹角，将雷达能探测到的径向距离以相同距离M等分，以每个等分点作为选框的中心点生成直角坐标系网格点；
步骤1.3：对原始图像采用插值算法插值得到直角坐标系下网格点的回波强度图像，并计算对应的三维图像谱、二维图像谱、二维海浪谱，进而计算各选框的信噪比；
步骤1.4：对径向距离和信噪比进行拟合，得到径向距离与信噪比之间的拟合关系SNR＝F(d)，d为径向距离，SNR为信噪比；
步骤1.5：利用离线得到的原始图像数据，选定一个固定的径向距离，将能探测到的方位范围内将角度维N等分，以每个角度等分点作为选框的中心点生成直角坐标系网格点；
步骤1.6：对原始图像采用插值算法插值得到直角坐标系下网格点的回波强度图像，并计算对应的三维图像谱、二维图像谱、二维海浪谱，进而计算各选框的信噪比；
步骤1.7：对风夹角和信噪比进行拟合，得到风夹角与信噪比之间的关系式SNR＝G(θ)，θ为风夹角，即分析区域选框中心线与上风向的夹角。
2.步骤3具体包括：
步骤3.1：选定风夹角为θT、径向距离为dT的位置为标准信噪比位置；
步骤3.2：利用步骤1中得到的信噪比与径向距离、风夹角之间的拟合关系对原始信噪比进行校正，得到标准信噪比，校正公式为：
Figure BDA0002510980270000031
其中：
Figure BDA0002510980270000032
式中：d为径向距离；θ0为风夹角，即分析区域选框中心线与上风向的夹角；
Figure BDA0002510980270000033
为基于船首的选框中心线方位角度；β基于正北方向的航向；γ为基于正北方向的风向；SNRT为标准信噪比；SNR0为原始信噪比；
3.步骤1.4中径向距离与信噪比之间的拟合关系SNR＝F(d)具体为：
F＝p1d3+p2d2+p3d+p4
其中p1、p2、p3、p4为待定系数，p1、p2、p3、p4满足：
Figure BDA0002510980270000034
式中：di为第i个径向距离等分点与雷达的距离；Fi为第i个径向距离等分点计算出来的信噪比。
4.步骤1.7具体包括：
利用Levenberg-Marquardt法对信噪比和风夹角进行G(θ)＝a0+a1·cos(ω·θ)+b1·sin(ω·θ)形式的非线性拟合，得到径向距离与信噪比之间的拟合关系式，具体包括：
步骤1.7.1：设定初始迭代次数n＝0，设定参数λ的初始值；确定迭代误差目标g，计算所有拟合点误差的平方和e(0)，当前迭代误差E＝e(0)；最大迭代次数l；
步骤1.7.2：如果误差平方和E≤g和迭代次数n≥l至少有一项成立，则转至步骤1.7.5；
步骤1.7.3：获取雅克比矩阵J(n)，并调整变量W：
Figure BDA0002510980270000041
W(n+1)＝W(n)-(J(n)TJ(n)+λI)J(n)Te(n)
步骤1.7.4：计算误差和e(n),如果e(n)＞E，令λ＝10×λ，舍弃本次变量的修改；否则令λ＝0.1×λ，E＝e(n)，n＝n+1,转至1.7.2，e(n)满足：
Figure BDA0002510980270000042
步骤1.7.5：最终的结果为：
Figure BDA0002510980270000043
本发明的有益效果：与现有技术相比，利用本发明所提出的信噪比校正方法，其优点在于：本发明目的在于消除利用航海雷达进行海浪有效波高反演时距离和风夹角对反演结果的影响，提高反演结果的准确性。本发明提出的校正方法，通过进行离线实验得到海浪反演选框中心的径向距离和风夹角与信噪比之间的拟合关系，从而消除了原方法中信噪比受距离和风夹角影响较大的问题。利用本方法计算有效波高将不受选取反演区域位置的影响，与原方法相比，本方法计算得到的有效波高将不随反演区域的变化而发生大幅度变化，显著地提高了反演精度，增强了算法在实际工程应用中的可靠性和实用性。
附图说明
图1为信噪比与径向距离拟合示意图；
图2为信噪比与风夹角拟合示意图；
图3为校正前信噪比的空间分布图；
图4为校正后信噪比的空间分布图；
图5为本发明实施方式流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式做进一步说明。
针对目前利用航海雷达的谱分析法求取有效波高的算法中存在的信噪比受反演区域选择影响的问题，通过实验发现，信噪比的空间分布与风夹角、径向距离有直接关系。根据此发现，本发明提出了一种基于距离风夹角校正的航海雷达反演海浪有效波高改进方法。本发明首先通过离线实验得到信噪比与风夹角、径向距离之间的拟合关系，然后利用得到的拟合关系消除反演区域位置造成的影响。相比传统方法，此方法精确地消除了反演区域对结果的影响，而且在雷达视场存在盲区时仍能够正常工作，有着较强的适应性和可靠性。
结合图5，本发明具体实施方式包含径向距离、风夹角与信噪比之间拟合关系的确定，计算原始信噪比并校正得到标准信噪比，有效波高的计算三个步骤，具体包括以下步骤：
步骤1，确定径向距离、风夹角与信噪比之间的拟合关系。离线开展观测试验并进行数据统计分析，分别统计不同径向距离、不同风夹角条件下的信噪比。利用最小二乘法拟合得到径向距离、风夹角与信噪比之间的关系。
步骤2：计算原始信噪比。对原始雷达图像进行图像平滑和插值等预处理、3D FFT、色散关系的带通滤波、MTF得到图像谱和二维海浪谱。利用图像谱和二维海浪谱计算原始信噪比。
步骤3：校正得到标准信噪比。利用信噪比与径向距离、风夹角之间的拟合关系对原始信噪比进行校正，得到标准信噪比。
步骤4，计算有效波高。有效波高的计算公式为：
Figure BDA0002510980270000051
式中：Hs-----有效波高
A，B-----拟合直线的系数
SNRT-----标准信噪比
所述步骤1包括以下步骤：
步骤1.1，离线开展观测试验，利用雷达图像处理软件加载已完成数字化的空间海域杂波连续图像，记录雷达图像采集时间，图像采样点数，并同步记录对应时间点的风向信息。
步骤1.2，利用离线得到的原始图像数据，选定一个固定风夹角，将雷达能探测到的径向距离以相同距离M等分，以每个等分点作为选框的中心点生成直角坐标系网格点。
步骤1.3，按照选定的插值算法插值得到直角坐标系下网格点的回波强度图像，并计算对应的三维图像谱、二维图像谱、二维海浪谱，进而计算各选框的信噪比。
三维图像谱的公式为：
Figure BDA0002510980270000061
式中：I(kx,ky,ω)-----变换得到的3D图像谱
η(x,y,t)-----处理后的海杂波图像序列
Lx-----x方向的距离分辨率
Ly-----y方向的距离分辨率
T-----相邻图像之间的时间分辨率
二维图像谱的公式为：
Figure BDA0002510980270000062
Figure BDA0002510980270000063
式中：E(kx,ky,ω)-----滤波后的三维图像谱
dω-----频率分辨率
I(kx,ky)-----二维图像谱
二维海浪谱的公式为：
E(kx,ky)＝|M(kx,ky)|2·I(kx,ky) (5)
式中：E(kx,ky)-----二维海浪谱
|M(kx,ky)|2-----调制传递函数
调制传递函数的定义为：
|M(kx,ky)|2≈k-β (6)
式中：β-----经验系数，一般在1.2左右
信噪比的计算公式为：
Figure BDA0002510980270000071
Figure BDA0002510980270000072
Figure BDA0002510980270000073
式中：SIG-----海浪信号总能量
BGN-----背景噪声总能量
步骤1.4，利用最小二乘法对信噪比和径向距离进行3次多项式拟合，得到径向距离与信噪比之间的拟合关系式。记信噪比F与径向距离d的拟合关系为F＝p1d3+p2d2+p3d+p4,其中p1、p2、p3、p4为待定系数，p1、p2、p3、p4的计算公式为：
Figure BDA0002510980270000074
式中：di-----第i个径向距离等分点与雷达的距离
Fi-----第i个径向距离等分点计算出来的信噪比
步骤1.5，利用离线得到的原始图像数据，选定一个固定的径向距离，将能探测到的方位范围内将角度维N等分，以每个角度等分点作为选框的中心点生成直角坐标系网格点。
步骤1.6，按照选定的插值算法插值得到直角坐标系下网格点的回波强度图像，并计算对应的三维图像谱、二维图像谱、二维海浪谱，进而计算各选框的信噪比，信噪比计算如步骤1.3中式(2)-(9)。
步骤1.7，利用Levenberg-Marquardt法对信噪比和风夹角进行G(θ)＝a0+a1·cos(ω·θ)+b1·sin(ω·θ)形式的非线性拟合，得到径向距离与信噪比之间的拟合关系式。
信噪比与风夹角之间的拟合步骤为：
1.7.1设定初始迭代次数n＝0，参数λ的初始值；确定迭代误差目标g,计算所有拟合点误差的平方和e(0),当前迭代误差E＝e(0)；最大迭代次数l。
1.7.2如果误差平方和E≤g和迭代次数n≥l至少有一个成立，则转至1.7.5。
1.7.3根据式(11)获取雅克比矩阵J(n)，根据式(12)对变量W进行迭代。
Figure BDA0002510980270000081
W(n+1)＝W(n)-(J(n)TJ(n)+λI)J(n)Te(n) (12)
1.7.4计算误差和e(n),如果e(n)＞E，令λ＝10×λ，舍弃本次变量的修改；否则令λ＝0.1×λ，E＝e(n)。n＝n+1,转至1.7.2。e(n)的公式为：
Figure BDA0002510980270000082
1.7.5最终的结果为
Figure BDA0002510980270000083
所述步骤2包括以下步骤：
步骤2.1，在原始雷达图像序列中选取一个N*N的正方形区域，并生成N*N的网格点。正方形区域的中心点与船艏角的夹角为
Figure BDA0002510980270000084
与雷达中心的距离为L。
步骤2.2，利用步骤1.3中(2)-(9)式计算原始信噪比SNR0。
所述步骤3包括以下步骤：
步骤3.1，选定风夹角为θT、径向距离为dT作为标准信噪比所在位置。
步骤3.2，利用步骤1中得到的信噪比与径向距离、风夹角之间的拟合关系对原始信噪比进行校正，得到标准信噪比。校正公式为：
Figure BDA0002510980270000085
其中：
Figure BDA0002510980270000086
式中：d-----径向距离
θ0-----风夹角，即分析区域选框中心线与上风向的夹角
Figure BDA0002510980270000087
-----基于船首的选框中心线方位角度
β-----基于正北方向的航向
γ-----基于正北方向的风向
SNRT-----标准信噪比
·SNR0-----原始信噪比
结合具体参数给出本发明的实施例：
本方法的流程图见附图5，具体可以分为以下四步,第一步为离线实验拟合信噪比与径向距离、风夹角之间的关系，第二步为计算原始信噪比，第三步校正得到标准信噪比。第四步为计算有效波高。
本具体实现中所使用的是X波段导航雷达，在短脉冲下进行数据采集，监测范围为4.5km之内，径向分辨率为7.5m，角度分辨率为1°，每幅图像的采集时间约为2.7s。X波段雷达的具体参数如表一：
表一 X波段雷达技术参数表
雷达参数 参数值
发射频率 9.3GHz
高度 45m
旋转速度 22转/分
增益 31dB
极化方式 HH
天线长度 1.8m
水平波束宽度 0.9°
垂直波数宽度 21°
脉冲重复频率 1300Hz
脉冲宽度 50ns
结合附图1～5，本发明具体实施步骤为：
第一步，确定径向距离、风夹角与信噪比之间的拟合关系。离线开展观测试验并进行数据统计分析，分别统计不同径向距离、不同风夹角条件下的信噪比。利用最小二乘法拟合得到径向距离、风夹角与信噪比之间的关系。
步骤1.1，离线开展观测试验，利用雷达图像处理软件加载10组，每组32幅，共320幅已完成数字化的空间海域杂波连续图像，记录雷达图像采集时间，图像采样点数，并同步记录对应时间点的风向信息。
步骤1.2，利用离线得到的原始图像数据，选定固定风夹角200°，径向距离由600m到3000m，间隔300m，以每个等分点作为选框的中心点生成128*128直角坐标系网格点。
步骤1.3，按照最近点插值法插值得到直角坐标系下网格点的回波强度图像，并计算对应的三维图像谱、二维图像谱、二维海浪谱，进而计算各选框的信噪比。
最近点插值公式和信噪比计算过程中的公式如下：
最近点插值的公式为：
Figure BDA0002510980270000101
式中：x0，y0-----插值前的笛卡尔坐标
r0，θ0-----插值后的极坐标。
三维图像谱的公式为：
Figure BDA0002510980270000102
式中：I(kx,ky,ω)-----变换得到的3D图像谱
η(x,y,t)-----处理后的海杂波图像序列
Lx-----x方向的距离分辨率
Ly-----y方向的距离分辨率
T-----相邻图像之间的时间分辨率
二维图像谱的公式为：
Figure BDA0002510980270000103
I(kx,ky)＝∫ω＞0E(kx,ky,ω)dω
式中：E(kx,ky,ω)-----滤波后的三维图像谱
dω-----频率分辨率
I(kx,ky)-----二维图像谱
二维海浪谱的公式为：
E(kx,ky)＝|M(kx,ky)|2·I(kx,ky)
式中：E(kx,ky)-----二维海浪谱
|M(kx,ky)|2-----调制传递函数
调制传递函数的定义为：
|M(kx,ky)|2≈k-β
式中：β-----经验系数，一般在1.2左右
信噪比的公式为：
Figure BDA0002510980270000111
Figure BDA0002510980270000112
Figure BDA0002510980270000113
式中：SIG-----海浪信号总能量
BGN-----背景噪声总能量
步骤1.4，得到信噪比后，利用最小二乘法对信噪比和径向距离进行3次多项式拟合，拟合曲线见附图1，得到径向距离与信噪比之间的拟合关系式为：
F(d)＝-0.8319*d3+3.346*d2+1.175
式中：F-----信噪比
d-----径向距离。
信噪比和径向距离之间的拟合关系如下。记信噪比F与径向距离d的拟合关系为F＝p1d3+p2d2+p3d+p4,,其中p1、p2、p3、p4为待定系数，p1、p2、p3、p4的计算公式为：
Figure BDA0002510980270000121
式中：di-----第i个径向距离等分点与雷达的距离
Fi-----第i个径向距离等分点计算出来的信噪比
步骤1.5，利用离线得到的原始图像数据，选定固定径向距离为900m，风夹角由150°到240°，间隔10°，以每个角度等分点作为选框的中心点生成128*128直角坐标系网格点。
步骤1.6，按照最近点插值算法插值得到直角坐标系下网格点的回波强度图像，并计算对应的三维图像谱、二维图像谱、二维海浪谱，进而计算各选框的信噪比，最近点插值和信噪比计算如步骤1.3。
步骤1.7，利用Levenberg-Marquardt法对信噪比和风夹角进行G(θ)＝a0+a1·cos(ω·θ)+b1·sin(ω·θ)形式的非线性拟合，拟合曲线见附图2，得到径向距离与信噪比之间的拟合关系式为：
G(θ)＝5.221-1.63cos(0.06195θ)-1.754sin(0.06195θ)
式中：G-----信噪比
θ-----风夹角
信噪比与风夹角之间的拟合步骤为：
1.7.1设定初始迭代次数n＝0，参数λ的初始值为0.001；确定迭代误差目标g,计算所有拟合点误差的平方和e(0),当前迭代误差E＝e(0)；至多迭代次数l。
1.7.2如果误差平方和E≤g和迭代次数n≥l至少有一个成立，则转至1.7.5。
1.7.3根据式(11)获取雅克比矩阵J(n)，根据式(12)调整变量W。
Figure BDA0002510980270000122
W(n+1)＝W(n)-(J(n)TJ(n)+λI)J(n)Te(n) (12)
1.7.4计算误差和e(n),如果e(n)＞E，令λ＝10×λ，舍弃本次变量的修改；否则令λ＝0.1×λ，E＝e(n)。n＝n+1,转至1.7.2。e(n)的公式为：
Figure BDA0002510980270000131
1.7.5最终的结果为
Figure BDA0002510980270000132
第二步，计算原始信噪比。
步骤2.1，在原始雷达图像序列中选取一个128*188的正方形区域，并生成网格点。正方形区域的中心点与船艏角的夹角为
Figure BDA0002510980270000133
与雷达中心的距离为L。
步骤2.2，利用步骤1.2式计算原始信噪比SNR0的。
第三步，利用拟合得到的信噪比与径向距离、风夹角之间的关系对原始信噪比进行校正，得到标准信噪比。
步骤3.1，选定风夹角为0°、径向距离800m为标准信噪比所在位置。
步骤3.2，利用步骤1中得到的信噪比与径向距离、风夹角之间的拟合关系对原始信噪比进行校正，得到标准信噪比。校正公式为：
Figure BDA0002510980270000134
其中：
Figure BDA0002510980270000135
式中：d-----径向距离
θ0-----风夹角，即分析区域选框中心线与上风向的夹角
Figure BDA0002510980270000136
-----基于船首的选框中心线方位角度
β-----基于正北方向的航向
γ-----基于正北方向的风向
SNRT-----标准信噪比
·SNR0-----原始信噪比
第四步，计算有效波高。有效波高的计算公式为：
Figure BDA0002510980270000141
式中：A，B-----拟合直线的系数，在本例中A＝0.0742,B＝0.5248
SNRT-----标准信噪比
本发明通过2017年12月27日3点01分至3点30分内的连续640幅雷达图像，地点为某特定海域中的海上实验数据进行了实验验证。通过对雷达图像数据进行区域划分：风夹角从150°至240°，间隔10°；径向距离600m至3000m，间隔300m，将图像分为90个子区域。这90个子区域未校正前后的信噪比具体数值如表二、表三。进行区域校正前90个子区域相对基准区域的均方根误差为2.05，进行校正后均方根误差为0.38，如表四，校正前后的信噪比分布示意图见附图3,4。可以看出在进行信噪比区域校正之后，使用同一组标定系数可以适用于同一海域中的不同反演区域，能够有效的减小利用同一组标定系数而因船只移动带来不同区域反演海浪有效波高时的误差。本发明提出的校正过程增强了算法的反演精度，提高了算法的在工程实践中的实用性。
表二 校正前90个反演区域信噪比
Figure BDA0002510980270000142
表三 校正后的90个反演区域信噪比
Figure BDA0002510980270000143
Figure BDA0002510980270000151
表四 校正前后的信噪比与基准位置的均方根误差
Figure BDA0002510980270000152

Claims (5)

1.一种航海雷达反演海浪有效波高计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：确定径向距离、风夹角与信噪比之间的拟合关系：离线开展观测试验，分别统计不同径向距离条件下的信噪比和不同风夹角条件下的信噪比，分别利用最小二乘法拟合得到径向距离与信噪比之间的关系和风夹角与信噪比之间的关系；
步骤2：计算原始信噪比：对原始雷达图像进行插值预处理、3D FFT、色散关系的带通滤波、MTF得到图像谱和二维海浪谱，利用图像谱和二维海浪谱计算原始信噪比；
步骤3：校正得到标准信噪比：利用步骤1得到的信噪比与径向距离、风夹角之间的拟合关系对原始信噪比进行校正，得到标准信噪比；
步骤4：计算有效波高，有效波高的计算公式为：
Figure FDA0002510980260000011
式中：A，B为拟合直线的系数，SNRT为标准信噪比。
2.根据权利要求1所述的一种航海雷达反演海浪有效波高计算方法，其特征在于：步骤1具体包括：
步骤1.1：离线开展观测试验，利用雷达图像处理软件加载已完成数字化的空间海域杂波连续图像，记录雷达图像采集时间，图像采样点数，并同步记录对应时间点的风向信息；
步骤1.2：利用离线得到的原始图像数据，选定一个固定风夹角，将雷达能探测到的径向距离以相同距离M等分，以每个等分点作为选框的中心点生成直角坐标系网格点；
步骤1.3：对原始图像采用插值算法插值得到直角坐标系下网格点的回波强度图像，并计算对应的三维图像谱、二维图像谱、二维海浪谱，进而计算各选框的信噪比；
步骤1.4：对径向距离和信噪比进行拟合，得到径向距离与信噪比之间的拟合关系SNR＝F(d)，d为径向距离，SNR为信噪比；
步骤1.5：利用离线得到的原始图像数据，选定一个固定的径向距离，将能探测到的方位范围内将角度维N等分，以每个角度等分点作为选框的中心点生成直角坐标系网格点；
步骤1.6：对原始图像采用插值算法插值得到直角坐标系下网格点的回波强度图像，并计算对应的三维图像谱、二维图像谱、二维海浪谱，进而计算各选框的信噪比；
步骤1.7：对风夹角和信噪比进行拟合，得到风夹角与信噪比之间的关系式SNR＝G(θ)，θ为风夹角，即分析区域选框中心线与上风向的夹角。
3.根据权利要求1或2所述的一种航海雷达反演海浪有效波高计算方法，其特征在于：步骤3具体包括：
步骤3.1：选定风夹角为θT、径向距离为dT的位置为标准信噪比位置；
步骤3.2：利用步骤1中得到的信噪比与径向距离、风夹角之间的拟合关系对原始信噪比进行校正，得到标准信噪比，校正公式为：
Figure FDA0002510980260000021
其中：
Figure FDA0002510980260000022
式中：d为径向距离；θ0为风夹角，即分析区域选框中心线与上风向的夹角；
Figure FDA0002510980260000023
为基于船首的选框中心线方位角度；β基于正北方向的航向；γ为基于正北方向的风向；SNRT为标准信噪比；SNR0为原始信噪比。
4.根据权利要求2所述的一种航海雷达反演海浪有效波高计算方法，其特征在于：步骤1.4所述径向距离与信噪比之间的拟合关系SNR＝F(d)具体为：
F＝p1d3+p2d2+p3d+p4
其中p1、p2、p3、p4为待定系数，p1、p2、p3、p4满足：
Figure FDA0002510980260000024
式中：di为第i个径向距离等分点与雷达的距离；Fi为第i个径向距离等分点计算出来的信噪比。
5.根据权利要求2所述的一种航海雷达反演海浪有效波高计算方法，其特征在于：步骤1.7具体包括：
利用Levenberg-Marquardt法对信噪比和风夹角进行G(θ)＝a0+a1·cos(ω·θ)+b1·sin(ω·θ) 形式的非线性拟合，得到径向距离与信噪比之间的拟合关系式，具体包括：
步骤1.7.1：设定初始迭代次数n＝0，设定参数λ的初始值；确定迭代误差目标g，计算所有拟合点误差的平方和e(0)，当前迭代误差E＝e(0)；最大迭代次数l；
步骤1.7.2：如果误差平方和E≤g和迭代次数n≥l至少有一项成立，则转至步骤1.7.5；
步骤1.7.3：获取雅克比矩阵J(n)，并调整变量W：
Figure FDA0002510980260000031
W(n+1)＝W(n)-(J(n)TJ(n)+λI)J(n)Te(n)
步骤1.7.4：计算误差和e(n),如果e(n)＞E，令λ＝10×λ，舍弃本次变量的修改；否则令λ＝0.1×λ，E＝e(n)，n＝n+1,转至1.7.2，e(n)满足：
Figure FDA0002510980260000032
步骤1.7.5：最终的结果为：
Figure FDA0002510980260000033
CN202010461214.4A 2020-05-27 2020-05-27 一种航海雷达反演海浪有效波高计算方法 Active CN111624599B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010461214.4A CN111624599B (zh) 2020-05-27 2020-05-27 一种航海雷达反演海浪有效波高计算方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010461214.4A CN111624599B (zh) 2020-05-27 2020-05-27 一种航海雷达反演海浪有效波高计算方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111624599A true CN111624599A (zh) 2020-09-04
CN111624599B CN111624599B (zh) 2022-12-13

Family

ID=72272598

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010461214.4A Active CN111624599B (zh) 2020-05-27 2020-05-27 一种航海雷达反演海浪有效波高计算方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111624599B (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113030894A (zh) * 2021-03-02 2021-06-25 南京信息工程大学 一种利用快速扫描的相参雷达图像提取海浪参数的方法
KR20230001875A (ko) * 2021-06-29 2023-01-05 한국해양과학기술원 해수면 스테레오 광학영상과 ｘ 밴드 레이다영상의 융합 및 기계학습을 통한 2ｄ 파랑 측정을 위한 장치 및 방법
CN118311571A (zh) * 2024-06-07 2024-07-09 青岛哈尔滨工程大学创新发展中心 一种非相参雷达海杂波图像相位平均反演方法及系统

Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2002008786A1 (de) * 2000-07-21 2002-01-31 Gkss-Forschungszentrum Geesthacht Gmbh Verfahren zur ermittlung von ein in situ seegangsfeld beschreibenden hydrographischen parametern mittels einer radareinrichtung
US20110001285A1 (en) * 2009-07-02 2011-01-06 Kabushiki Kaisha Toshiba Stiffness detector, stiffness detection method, and paper sheet processor including stiffness detector
WO2011091726A1 (zh) * 2010-01-29 2011-08-04 哈尔滨工业大学 基于激光成像的高分辨率海浪微尺度波探测方法
CN102540162A (zh) * 2011-12-12 2012-07-04 中国船舶重工集团公司第七二四研究所 基于海杂波的低空电磁波传播特性估计方法
CN102799770A (zh) * 2012-06-29 2012-11-28 哈尔滨工程大学 一种基于pso自适应分段线性拟合的海浪有效波高反演模型建模方法
CN103197295A (zh) * 2013-03-03 2013-07-10 西安电子科技大学 利用先验信息的宽带频率捷变角度超分辨方法
CN103969643A (zh) * 2014-05-09 2014-08-06 哈尔滨工程大学 一种基于新型海浪色散关系带通滤波器进行x波段导航雷达反演海浪参数方法
CN104101864A (zh) * 2013-04-10 2014-10-15 南京信息工程大学 基于eof分解的导航x波段雷达海浪参数反演算法
CN104749563A (zh) * 2015-03-26 2015-07-01 武汉大学 从高频地波雷达海洋回波一阶Bragg谐振峰中提取浪高的方法
WO2016083492A2 (en) * 2014-11-26 2016-06-02 Maritime Radar Systems Limited A system for monitoring a maritime environment
CN105807275A (zh) * 2016-04-28 2016-07-27 大连大学 基于部分杂波先验知识的mimo-ofdm-stap稳健波形设计
CN110208807A (zh) * 2019-06-14 2019-09-06 哈尔滨工程大学 一种基于航海雷达图像检测区域差异性参数的雨强等级反演方法
CN111045005A (zh) * 2019-12-10 2020-04-21 中船航海科技有限责任公司 一种海浪波高计算方法、终端和测量系统

Patent Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2002008786A1 (de) * 2000-07-21 2002-01-31 Gkss-Forschungszentrum Geesthacht Gmbh Verfahren zur ermittlung von ein in situ seegangsfeld beschreibenden hydrographischen parametern mittels einer radareinrichtung
US20110001285A1 (en) * 2009-07-02 2011-01-06 Kabushiki Kaisha Toshiba Stiffness detector, stiffness detection method, and paper sheet processor including stiffness detector
WO2011091726A1 (zh) * 2010-01-29 2011-08-04 哈尔滨工业大学 基于激光成像的高分辨率海浪微尺度波探测方法
CN102540162A (zh) * 2011-12-12 2012-07-04 中国船舶重工集团公司第七二四研究所 基于海杂波的低空电磁波传播特性估计方法
CN102799770A (zh) * 2012-06-29 2012-11-28 哈尔滨工程大学 一种基于pso自适应分段线性拟合的海浪有效波高反演模型建模方法
CN103197295A (zh) * 2013-03-03 2013-07-10 西安电子科技大学 利用先验信息的宽带频率捷变角度超分辨方法
CN104101864A (zh) * 2013-04-10 2014-10-15 南京信息工程大学 基于eof分解的导航x波段雷达海浪参数反演算法
CN103969643A (zh) * 2014-05-09 2014-08-06 哈尔滨工程大学 一种基于新型海浪色散关系带通滤波器进行x波段导航雷达反演海浪参数方法
WO2016083492A2 (en) * 2014-11-26 2016-06-02 Maritime Radar Systems Limited A system for monitoring a maritime environment
CN104749563A (zh) * 2015-03-26 2015-07-01 武汉大学 从高频地波雷达海洋回波一阶Bragg谐振峰中提取浪高的方法
CN105807275A (zh) * 2016-04-28 2016-07-27 大连大学 基于部分杂波先验知识的mimo-ofdm-stap稳健波形设计
CN110208807A (zh) * 2019-06-14 2019-09-06 哈尔滨工程大学 一种基于航海雷达图像检测区域差异性参数的雨强等级反演方法
CN111045005A (zh) * 2019-12-10 2020-04-21 中船航海科技有限责任公司 一种海浪波高计算方法、终端和测量系统

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
R CARRASCO: "Significant Wave Height Measured by Coherent X-Band Radar", 《IEEE TRANSACTIONS ON GEOSCIENCE & REMOTE SENSING》 *
吴雄斌等: "高频地波雷达海面有效波高探测实验研究", 《海洋与湖沼》 *
李英: "X波段雷达海杂波中噪声抑制的研究与实现", 《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(博士)信息科技辑》 *
段华敏等: "基于X波段雷达海面波高估计的改进方法", 《海洋通报》 *
殷曙光: "船载X波段测波雷达有效波高的误差分析", 《应用海洋学学报》 *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113030894A (zh) * 2021-03-02 2021-06-25 南京信息工程大学 一种利用快速扫描的相参雷达图像提取海浪参数的方法
KR20230001875A (ko) * 2021-06-29 2023-01-05 한국해양과학기술원 해수면 스테레오 광학영상과 ｘ 밴드 레이다영상의 융합 및 기계학습을 통한 2ｄ 파랑 측정을 위한 장치 및 방법
KR102509980B1 (ko) 2021-06-29 2023-03-14 한국해양과학기술원 해수면 스테레오 광학영상과 ｘ 밴드 레이다영상의 융합 및 기계학습을 통한 2ｄ 파랑 측정을 위한 장치 및 방법
CN118311571A (zh) * 2024-06-07 2024-07-09 青岛哈尔滨工程大学创新发展中心 一种非相参雷达海杂波图像相位平均反演方法及系统
CN118311571B (zh) * 2024-06-07 2024-08-30 青岛哈尔滨工程大学创新发展中心 一种非相参雷达海杂波图像相位平均反演方法及系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN111624599B (zh) 2022-12-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111624599B (zh) 一种航海雷达反演海浪有效波高计算方法
CN110196414B (zh) 一种基于补偿天线方向图误差的天线波束指向方法
CN109212500B (zh) 一种基于稀疏重构的ka-stap杂噪协方差矩阵高精度估计方法
CN103941257B (zh) 一种基于波数能量谱的导航雷达图像反演海面风向的方法
CN103969629A (zh) 一种基于主瓣杂波配准的机载雷达杂波自适应抑制方法
CN107607936B (zh) 一种高频天地波雷达海洋表面流反演方法
CN112612006B (zh) 基于深度学习的机载雷达非均匀杂波抑制方法
CN112859018B (zh) 一种基于图像几何校正的视频sar成像方法
CN108107432A (zh) 基于时域扰动的高低轨双基sar保相成像方法
CN110196427A (zh) 一种基于距离方位字典的目标定位算法
CN105824016B (zh) 运动平台雷达检测超低空目标的稳健空时自适应处理方法
CN115236664A (zh) 一种航海雷达图像反演有效波高的方法
CN113589284B (zh) 一种逆合成孔径雷达对舰船目标的成像方法和系统
CN110988873A (zh) 基于能量中心提取的单通道sar舰船速度估计方法及系统
CN103197295B (zh) 利用先验信息的宽带频率捷变角度超分辨方法
CN113204020B (zh) 一种基于频谱分割的海浪波谱仪斑点噪声谱估计方法
CN110824473A (zh) 一种基于子空间的高分辨宽测绘带sar-gmti杂波抑制方法
CN108020835B (zh) 一种星载合成孔径雷达sar地面运动目标指示gmti的强杂波抑制方法及装置
CN112612027B (zh) 一种浅海环境下利用声能量起伏的海洋内波监测方法
CN112255596B (zh) 一种基于空间频率插值的星载sar欺骗干扰信号生成方法
CN107271996B (zh) 一种机载cssar地面运动目标成像方法
CN111983599A (zh) 一种基于方位-俯仰字典的目标二维doa估计方法
CN115032601A (zh) 一种基于空时联合滤波技术抑制图像序列中海杂波的航海雷达目标检测算法
CN113075633A (zh) 一种基于距离-俯仰联合字典的目标定位方法
CN112558050B (zh) 一种转弯机动运动目标速度估计方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant