CN112014839A - 一种消除噪声对相参x波段雷达观测海浪的影响的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种消除噪声对相参X波段雷达观测海浪的影响的方法,涉及海洋遥感技术领域,该方法包括两部分:第一部分是对雷达图像序列做小波变换以减小噪声,然后通过谱分析求出峰值周期和主波波向等参数;第二部分是选取文氏谱作为经验谱,建立经验谱和观测谱的最小化差异模型,求解该模型反演海浪的有效波高。本发明解决现有技术中相参X波段雷达无法精确观测海浪信息的问题,为近岸的海洋活动和海洋动力环境研究提供了新型技术基础。
Description
技术领域
本发明涉及海洋遥感技术领域,特别是一种消除噪声对相参X波段雷达观测海浪的影响的方法。
背景技术
海浪是重要的海洋动力参数,对海洋科学的研究具有重大意义。传统观测方法(如浮标等)不能全面反映待测海域的真实海况,易受破坏;卫星遥感(如卫星高度计、合成孔径雷达)可以大面积观测表面流,但是其时间分辨率受卫星的重复周期的限制,观测周期长;导航X波段雷达具有高时间和空间分辨率,能够进行全天时、全天候观测,近年来被广泛用于观测海浪,如专利号为ZL201310123693.9,何宜军,陈忠彪,丘仲锋的发表的基于EOF分解的导航X波段雷达海浪参数反演算法;但是由于没有经过定标,对实际使用造成很大不便;相参X波段雷达可以直接获得海面的多普勒频移,不需要经过定标或者引入复杂的调制传递函数,所以适合用于海浪的观测。
与导航X波段雷达相比,相参X波段雷达系统对海面成像时受到相关噪声的影响,雷达图像的噪声大,对海浪的观测造成很大影响。现有的消除噪声的方法是利用频散关系设计带通滤波器对图像谱滤波(如蔡文娟发表的岸基X波段宽带相参雷达海浪信息提取技术研究和专利号为CN106093936A,王曙曜、周涛等人发表的基于相参雷达慢扫模式下的浪流信息提取方法),从背景噪声中分离出海浪能量,但由于单一的带通滤波器无法完全消除噪声,并且调制传递函数受海况、雷达参数、观测几何等多种因素的影响而不易准确确定,反演的海浪参数仍存在较大偏差。因此,发明一种简单易行的消除噪声对相参X波段雷达图像影响的方法,以解决现有技术中相参X波段雷达的系统噪声大,无法精确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。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种消除噪声对相参X波段雷达观测海浪的影响的方法,本方法简单易行,能够精确观测海浪信息。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案:
根据本发明提出的一种消除噪声对相参X波段雷达观测海浪的影响的方法,包括以下步骤:
步骤1、读入相参X波段雷达图像序列phase(x,y,t),其中x和y分别为像素点在雷达图像中的横坐标和纵坐标,t是雷达图像在其所在的雷达图像序列中的采集时间;
步骤2、对雷达相位图像phase(x,y,t)做傅里叶变换,得到雷达图像谱F(kx,ky,ω),雷达图像谱作为观测谱,其中kx和ky为x和y方向的波数,ω为频率;
步骤3、对F(kx,ky,ω)做小波变换,得到复数小波系数C(α,β),其中α和β为小波变换的尺度参数和平移参数;
步骤4、对复小波系数的模|C(α,β)|沿平移参数β积分,
根据方程(1)找到最大模对应的尺度参数αm,其中|·|表示模,β1和β2为最小和最大平移参数,C(α)为复小波系数沿β1到β2的积分;
步骤5、找出复小波系数的辐角arg(C(αm,α))的极大值,其极值点ri就是海浪能量谱的谱峰的极大值点,i=1,2,…,n,其中arg(·)表示辐角,n是极大值的数量;
步骤6、找出海浪能量谱的谱峰所在的坐标为(kxm,kym),其中kxm为海浪能量谱的谱峰在x方向的波数,kym为海浪能量谱的谱峰在y方向的波数,则这个谱峰所对应的波长为海浪的主波波长L:谱峰所对应的波向为海浪的主波波向θ:θ=arctan(kxm/kym),海浪的峰值周期Tp为:Tp=2π/ωp,海浪的峰值周期即为观测谱的峰值周期;其中,ωp为海浪能量谱的峰值角频率;
步骤7、选择文氏谱作为理论谱;
步骤8、根据步骤7的理论谱和步骤2的观测谱,建立理论谱和观测谱的最小化差异模型,不同风速下理论谱的峰值周期不同,找到理论谱的峰值周期与步骤6求解的观测谱的峰值周期最小差值,此时理论谱的峰值周期所对应的风速即为观测时海表面风速U10,从而反演得到海浪的有效波高。
作为本发明所述的一种消除噪声对相参X波段雷达观测海浪的影响的方法进一步优化方案,步骤3所述的小波变换中,小波母函数为墨西哥帽小波函数。
作为本发明所述的一种消除噪声对相参X波段雷达观测海浪的影响的方法进一步优化方案,步骤7中,文氏谱的形式如下:
其中,
m=2(2-η),
本发明采用以上技术方案与现有技术相比,具有以下技术效果:
由于相参X波段雷达系统对海面成像时受到相关噪声的影响,雷达图像的噪声大,对海浪的观测造成很大影响,反演的主波波向、峰值周期和有效波高等海浪参数存在较大偏差;本发明提出一种简单易行的消除相关噪声对相参X波段雷达图像影响的方法,解决现有技术中相参X波段雷达无法精确观测海浪信息的问题,为近岸的海洋活动和海洋动力环境研究提供了新型技术基础。
附图说明
图1是本发明的流程图。
图2是相参X波段雷达原图像的海浪能量谱。
图3是相参X波段雷达图像经小波去噪后的海浪能量谱。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。
如图1所示,本发明的一种消除噪声对相参X波段雷达观测海浪的影响的方法包括两部分:第一部分是对雷达图像序列做小波变换以减小噪声,然后通过谱分析求出峰值周期和主波波向等参数;第二部分是选取文氏谱作为经验谱,建立经验谱和观测谱的最小化差异模型,求解该模型反演海浪的有效波高。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。
第一部分:对雷达图像序列做小波变换以减小噪声,然后通过谱分析求出峰值周期和主波波向等参数。
步骤1:读入相参X波段雷达图像序列phase(x,y,t),其中x和y分别为像素点在雷达图像中的横坐标和纵坐标,t是雷达图像在其所在的雷达图像序列中的采集时间;
步骤2:原始雷达数据的维度为1000*1000*32,表示图像的大小为1000*1000像素,每组有32幅图像,正常实验图像的维数一般为512*512*32,在雷达相位图像phase(x,y,t)上选取512*512个像素点,图2为雷达原相位图像的海浪能量谱;
步骤3:对雷达图像序列做三维傅里叶变换得到三维雷达图像谱,雷达图像谱作为观测谱,然后对雷达图像做连续小波变换以减小噪声,使用墨西哥帽小波函数作为小波母函数;
步骤4:对复小波系数的模|C(α,β)|沿平移参数β积分,
根据方程(1)找到最大模对应的尺度参数αm,其中|·|表示模,β1和β2为最小和最大平移参数;
步骤5:找出复小波系数的辐角arg(C(αm,β))的极大值,其极值点ri(i=1,2,…,n)就是海浪能量谱的谱峰的极大值点,其中arg(·)表示辐角,极大值n的数量为2;
步骤6:图3为小波去噪后的海浪能量谱,找到谱峰所在的坐标(kxm,kym)为(120555,120555),则这个谱峰所对应的波长为海浪的主波波长: 谱峰所对应的波向为海浪的主波波向:θ=arctan(kxm/kym)=-133.6678°,海浪的峰值周期为:Tp=2π/ωp=5.8282s,其中,ωp为能量谱的峰值角频率。
第二部分:选取文氏谱作为经验谱,建立经验谱和观测谱的最小化差异模型,求解该模型反演海浪的有效波高。
步骤7:选择了文氏谱作为理论谱,文氏谱的形式如下:
其中,
m=2(2-η),
步骤8:根据步骤7的理论谱和步骤3的观测谱,建立理论谱(文氏谱)和观测谱的最小化差异模型,不同风速下理论谱的峰值周期不同,找到理论谱的峰值周期与步骤6求解的观测谱的峰值周期最小差值,此时理论谱的峰值周期所对应的风速即为观测时海表面风速U10=9m/s,从而反演得到海浪的有效波高为
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (4)
1.一种消除噪声对相参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、读入相参X波段雷达图像序列phase(x,y,t),其中x和y分别为像素点在雷达图像中的横坐标和纵坐标,t是雷达图像在其所在的雷达图像序列中的采集时间;
步骤2、对雷达相位图像phase(x,y,t)做傅里叶变换,得到雷达图像谱F(kx,ky,ω),雷达图像谱作为观测谱,其中kx和ky为x和y方向的波数,ω为频率;
步骤3、对F(kx,ky,ω)做小波变换,得到复数小波系数C(α,β),其中α和β为小波变换的尺度参数和平移参数;
步骤4、对复小波系数的模|C(α,β)|沿平移参数β积分,
根据方程(1)找到最大模对应的尺度参数αm,其中|·|表示模,β1和β2为最小和最大平移参数,C(α)为复小波系数沿β1到β2的积分;
步骤5、找出复小波系数的辐角arg(C(αm,α))的极大值,其极值点ri就是海浪能量谱的谱峰的极大值点,i=1,2,…,n,其中arg(·)表示辐角,n是极大值的数量;
步骤6、找出海浪能量谱的谱峰所在的坐标为(kxm,kym),其中kxm为海浪能量谱的谱峰在x方向的波数,kym为海浪能量谱的谱峰在y方向的波数,则这个谱峰所对应的波长为海浪的主波波长L:谱峰所对应的波向为海浪的主波波向θ:θ=arctan(kxm/kym),海浪的峰值周期Tp为:Tp=2π/ωp,海浪的峰值周期即为观测谱的峰值周期;其中,ωp为海浪能量谱的峰值角频率;
步骤7、选择文氏谱作为理论谱;
步骤8、根据步骤7的理论谱和步骤2的观测谱,建立理论谱和观测谱的最小化差异模型,不同风速下理论谱的峰值周期不同,找到理论谱的峰值周期与步骤6求解的观测谱的峰值周期最小差值,此时理论谱的峰值周期所对应的风速即为观测时海表面风速U10,从而反演得到海浪的有效波高。
2.根据权利要求1所述的一种消除噪声对相参X波段雷达观测海浪的影响的方法,其特征在于,步骤3所述的小波变换中,小波母函数为墨西哥帽小波函数。
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PB01 | Publication | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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