CN113030894A - 一种利用快速扫描的相参雷达图像提取海浪参数的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用快速扫描的相参雷达图像提取海浪参数的方法，具体包括步骤：在相参X波段雷达图像中选取研究区域，对图像的振幅做傅里叶变换得二维图像谱，计算峰值周期和峰值波向；分别拟合每个径向的模随方位角的变化，根据拟合的函数校正图像；对校正后的图像做Hilbert变换，得到相位，对相位求导得多普勒频移；对径向的多普勒频移做傅里叶变换，利用传递函数将其转换为海浪的波高谱；根据波高谱得海浪的有效波高。本发明利用相参X波段雷达快速扫描的一幅图像提取海浪的峰值波长、峰值周期、峰值波向和有效波高等参数，不需要外部数据做定标，在观测海浪参数时不影响雷达的导航功能，实现实时观测不同方向的海浪变化。

Description

一种利用快速扫描的相参雷达图像提取海浪参数的方法
技术领域
本发明涉及海洋遥感领域，尤其涉及一种利用快速扫描的相参雷达图像提取海浪参数的方法。
背景技术
海浪的观测对海洋灾害预报、渔业生产、海洋工程、航行运输和海气交换的研究等有重要意义。与浮标等现场观测方式相比，遥感技术可以获取大面积的海浪信息，但是卫星遥感的重复访问周期长、空间分辨率低，不适用于海浪的实时观测。导航X波段雷达可以获得高时间和空间分辨率的海杂波图像，被越来越广泛地用于海洋信息的观测。常用的算法一类是通过对雷达图像序列做三维傅里叶变换获得图像谱，然后利用海浪理论和经验的调制传递函数获得海浪谱，从中提取海浪的主波周期、主波波长和主波波向等参数，主要用于波浪均匀的深水海区；第二类是利用经验正交函数分解获得海浪的主成分，适合用于波浪不均匀的复杂海区。但是，由于导航X波段雷达图像没有定标，两类方法都不能直接反演有效波高，一般需要利用浮标的观测数据做定标，这给实际应用带来很大不便。
传统的导航X波段雷达是非相参雷达，近年来固态相参雷达也得到了不断发展。与非相参雷达相比，相参雷达不仅可以获得海面回波的强度，也可以获得回波的相位信息，从而可以根据相位随时间的变化提取多普勒频移和海面散射体运动的振幅。但是，为了获取稳定的多普勒频移信息，相参雷达需要对海面的固定位置进行一段时间的持续观测，即使用“凝视模式”或“慢扫模式”观测海面，而这样不能获得海浪的方向变化，并且观测范围较小；此外，雷达的导航功能需要对海面进行快速扫描，利用已有算法观测海浪时会影响雷达的导航。
发明内容
发明目的：本发明目的是有效解决传统的已有算法利用相参雷达观测海浪时的缺陷，提供一种利用快速扫描的相参雷达图像提取海浪参数的方法，能够获取海浪的方向变化，拓宽观测范围，无需外部数据定标，实现实时观测不同方向的海浪变化。
技术方案：本发明提供一种利用快速扫描的相参雷达图像提取海浪参数的方法，包括如下步骤：
步骤1：在一幅相参X波段雷达图像Z(r,θ)中选取一个研究区域(r1≤r≤r2，θ1≤θ≤θ2)，其中，Z为相参雷达接收的海面回波的复数信号，r为海面上的一点到雷达的距离，0为方位角，r1和r2、01和02为研究区域的径向范围和方位角范围；将选取的雷达图像插值到矩形区域，对图像的振幅做二维傅里叶变换，得到二维图像谱
Figure BDA0002957839930000021
其中，k为波数；
步骤2：找出谱
Figure BDA0002957839930000022
的峰值所在点kp和θp，海浪的峰值波长为
Figure BDA0002957839930000023
峰值波向为θp或θp+180°，由频散关系得出峰值周期表达式为：
Figure BDA0002957839930000024
其中，g为重力加速度，d为观测海区的水深；
步骤3：为了消除波向的180°方向模糊，选取θp所在的径向Z(r，θp)，经傅里叶变换得到波数谱
Figure BDA0002957839930000025
判断峰值波向；
步骤4：对每个径向ri(r1≤ri≤r2)，选取峰值波向附近的图像Z(ri，θ)，其中，θp'-Δθ≤θ≤θp'+Δθ，Δθ为选取的方位角变化范围，一般为Δθ＝30°～90°，利用正弦函数拟合图像的模随方位角的变化：
|Z(ri，θ)|＝a·sin(bθ)+c(θp'-Δθ≤θ≤θp'+Δθ) (2)
其中，|·|表示取复数的模，a、b和c为拟合系数；根据拟合的函数校正图像的模随方位角的变化，得到校正后的图像Z'(ri,θ)；
步骤5：对校正后的图像做Hilbert变换，得到相位φ(ri,t)，其中，t是雷达扫描到方位角θ的时间；对相位求导得多普勒频移的表达式为：
Figure BDA0002957839930000026
步骤6：对径向的多普勒频移fD(ri)(r1≤r≤r2)做傅里叶变换，得多普勒频移的谱SD(k)，利用传递函数将其转换为海浪的波高谱：
Figure BDA0002957839930000031
其中，kr是雷达的波数，α是入射角；
步骤7：根据波高谱得海浪的有效波高为：
Figure BDA0002957839930000032
其中，k1和k2为波数的下限和上限。
进一步地，步骤1中径向r的长度取为2的整数次方，例如256或512个点；方位角θ变化范围为θ2-θ1＝30°～90°。
进一步地，步骤3中波数谱在峰值点的相位
Figure BDA0002957839930000033
判断波向具体为：
如果
Figure BDA0002957839930000034
海浪的峰值波向为θp'＝θp；
如果
Figure BDA0002957839930000035
则海浪的峰值波向为θp'＝θp+180°。
进一步地，步骤4中根据拟合的函数校正图像的模随方位角变化的表达式为：
Figure BDA0002957839930000036
其中，θp'-Δθ≤θ≤θp'+Δθ。
进一步地，步骤8中波数的范围取为k1＝0.01～0.02rad/m，
Figure BDA0002957839930000037
其中，Δr为雷达图像的分辨率。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著的优点：利用相参X波段雷达快速扫描的一幅图像提取海浪的峰值波长、峰值周期、峰值波向和有效波高等参数，不需要外部数据做定标，可以在观测海浪参数时不影响雷达的导航功能，实现实时观测不同方向的海浪变化。
附图说明
图1为本发明方法的流程图；
图2为本发明的一幅相参X波段雷达回波的强度图像，其中，方框是选取的研究区域；
图3为本发明的相参X波段雷达的回波强度随方位角的变化，虚线为拟合的正弦函数曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1所示，本发明的一种利用快速扫描的相参雷达图像反演海浪参数的方法包括以下步骤：
步骤1：在一幅相参X波段雷达图像Z(r,θ)中选取一个研究区域(r1≤r≤r2，θ1≤θ≤θ2)，其中，Z为相参雷达接收的海面回波的复数信号，r为海面上的一点到雷达的距离，θ为方位角，r1和r2为研究区域的径向范围，一般取为2的整数次方个点，例如256或512个点；01和02为方位角范围，一般为θ2-θ1＝30°～90°。
如图2所示为相参X波段雷达观测的一幅海面回波图像的强度，其中虚线框为选取的研究区域。
将选取的雷达图像插值到矩形区域，对图像的振幅做二维傅里叶变换，得到二维图像谱
Figure BDA0002957839930000041
其中k为波数。
步骤2：找出谱
Figure BDA0002957839930000042
的峰值所在的点kp和θp，则海浪的峰值波长为
Figure BDA0002957839930000043
峰值波向为θp或θp+180°，根据频散关系得峰值周期为：
Figure BDA0002957839930000044
其中，g为重力加速度，d为观测海区的水深。
步骤3：第2步中获得的波向有180°模糊，为了消除方向模糊，选取θp所在的径向Z(r,θp)，对其做傅里叶变换得到波数谱
Figure BDA0002957839930000045
根据谱在峰值点的相位
Figure BDA0002957839930000046
判断波向，即：如果
Figure BDA0002957839930000047
则海浪的峰值波向为θp'＝θp；如果
Figure BDA0002957839930000048
则海浪的峰值波向为θp'＝θp+180°；
步骤4：对于研究区域的每个径向ri(r1≤ri≤r2)，选取峰值波向附近的图像Z(ri,θ)(θp'-Δθ≤θ≤θp'+Δθ)，其中，Δθ是选取的方位角的变化范围，一般可以取为Δθ＝30°～90°。利用正弦函数拟合图像的模随方位角的变化：
|Z(ri,θ)|＝a·sin(bθ)+c(θp'-Δθ≤θ≤θp'+Δθ)
其中，|·|表示取复数的模，a、b和c为拟合系数。再根据以下函数校正图像的模随方位角的变化：
Figure BDA0002957839930000051
图3中的实线为相参X波段雷达图像的强度随方位角的变化，虚线为拟合的正弦函数。可以看出，拟合的正弦函数较好地反映了雷达回波的强度随方位的变化关系。
步骤5：对每个径向ri(r1≤r≤r2)，分别对校正后的图像做Hilbert变换，得到相位φ(ri，t)，其中，t是雷达扫描到方位角0的时间。
对相位求导得多普勒频移为：
Figure BDA0002957839930000052
步骤6：对径向的多普勒频移fD(ri)(r1≤r≤r2)做傅里叶变换，得多普勒频移的谱SD(k)，然后将其转换为海浪的波高谱：
Figure BDA0002957839930000053
其中，kr是雷达的波数，α是入射角。
步骤7：根据波高谱可得海浪的有效波高为：
Figure BDA0002957839930000054
其中，k1和k2为波数的下限和上限，一般可以取k1＝0.01～0.02rad/m，
Figure BDA0002957839930000055
Δr为雷达图像的分辨率。

Claims (5)

1.一种利用快速扫描的相参雷达图像提取海浪参数的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：在一幅相参X波段雷达图像Z(r,θ)中选取一个研究区域(r1≤r≤r2，θ1≤θ≤θ2)，其中，Z为相参雷达接收的海面回波的复数信号，r为海面上的一点到雷达的距离，0为方位角，r1和r2、01和02为研究区域的径向范围和方位角范围；将选取的雷达图像插值到矩形区域，对图像的振幅做二维傅里叶变换，得到二维图像谱
Figure FDA0002957839920000011
其中，k为波数；
步骤2：找出谱
Figure FDA0002957839920000012
的峰值所在点kp和θp，海浪的峰值波长为
Figure FDA0002957839920000013
峰值波向为θp或θp+180°，由频散关系得出峰值周期表达式为：
Figure FDA0002957839920000014
其中，g为重力加速度，d为观测海区的水深；
步骤3：选取θp所在的径向Z(r,θp)，经傅里叶变换得到波数谱SI (1)(k)，判断峰值波向；
步骤4：对每个径向ri(r1≤ri≤r2)，选取峰值波向附近的图像Z(ri,θ)，其中，θp'-Δθ≤θ≤θp'+Δθ，Δθ为选取的方位角变化范围，利用正弦函数拟合图像的模随方位角的变化：
|Z(ri,θ)|＝a·sin(bθ)+c(θp'-Δθ≤θ≤θp'+Δθ) (2)
其中，|·|表示取复数的模，a、b和c为拟合系数；根据拟合的函数校正图像的模随方位角的变化，得到校正后的图像Z'(ri,θ)；
步骤5：对校正后的图像做Hilbert变换，得到相位φ(ri,t)，其中，t是雷达扫描到方位角θ的时间；对相位求导得多普勒频移的表达式为：
Figure FDA0002957839920000015
步骤6：对径向的多普勒频移fD(ri)(r1≤r≤r2)做傅里叶变换，得多普勒频移的谱SD(k)，利用传递函数将其转换为海浪的波高谱：
Figure FDA0002957839920000021
其中，kr是雷达的波数，α是入射角；
步骤7：根据波高谱得海浪的有效波高为：
Figure FDA0002957839920000022
其中，k1和k2为波数的下限和上限。
2.根据权利要求1所述的一种利用快速扫描的相参雷达图像提取海浪参数的方法，其特征在于，所述步骤1中径向r的长度取为2的整数次方，方位角θ变化范围为θ2-θ1＝30°～90°。
3.根据权利要求1所述的一种利用快速扫描的相参雷达图像提取海浪参数的方法，其特征在于，所述步骤3中波数谱在峰值点的相位
Figure FDA0002957839920000023
判断波向具体为：
如果
Figure FDA0002957839920000024
海浪的峰值波向为θp'＝θp；
如果
Figure FDA0002957839920000025
则海浪的峰值波向为θp'＝θp+180°。
4.根据权利要求1所述的一种利用快速扫描的相参雷达图像提取海浪参数的方法，其特征在于，所述步骤4中根据拟合的函数校正图像的模随方位角变化的表达式为：
Figure FDA0002957839920000026
其中，θp'-Δθ≤θ≤θp'+Δθ。
5.根据权利要求1所述的一种利用快速扫描的相参雷达图像提取海浪参数的方法，其特征在于，所述步骤8中波数的范围取为k1＝0.01～0.02rad/m，
Figure FDA0002957839920000027
其中，Δr为雷达图像的分辨率。
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Application publication date: 20210625

Assignee: Nanjing Guangbing Technology Co.,Ltd.

Assignor: Nanjing University of Information Science and Technology

Contract record no.: X2024980009397

Denomination of invention: A method for extracting wave parameters using fast scanning coherent radar images

Granted publication date: 20220628

License type: Common License

Record date: 20240711

Application publication date: 20210625

Assignee: Nanjing China Mineral Union Information Co.,Ltd.

Assignor: Nanjing University of Information Science and Technology

Contract record no.: X2024980009395

Denomination of invention: A method for extracting wave parameters using fast scanning coherent radar images

Granted publication date: 20220628

License type: Common License

Record date: 20240711