CN114236490B - 基于水面回波模型的x波段导航雷达溢油探测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于水面回波模型的X波段导航雷达溢油探测系统，包括：发射探测微波信号和接收微波信号的X波段导航雷达单元；采集雷达图像的数据采集单元；接收数据采集单元传送的雷达图像的雷达图像降噪单元，所述雷达图像降噪单元消除雷达图像中的同频干扰噪声获得降噪后图像，所述雷达信号水面强度反演单元构建水面的雷达回波强度图像；所述溢油分析提取单元将降噪后图像和反演的水面回波强度雷达图像进行差值计算来分析溢油区域，所述溢油分析提取单元与用于显示提取的溢油信息的显示单元相连接；该方法能够拟合雷达图像中的水面信号回波信息，基于溢油回波弱与水面回波的特征，快速提取溢油分布信息，并不受其他高强度反射目标的影响，抗干扰能力强。

Description

基于水面回波模型的X波段导航雷达溢油探测系统
技术领域
本发明涉及导航雷达溢油探测技术领域，尤其涉及一种基于水面回波模型的X波段导航雷达溢油探测系统。
背景技术
随着全球经济的发展，通过海上运输的原油量急剧增加，相应的油轮事故造成原油泄漏事件频频发生，并且岸边储油罐、海上输油管道和油井溢油事件也时有发生。船舶的油污水处理方面，一些不法船舶偷排含油污水，会造成海上油污污染。溢油及偷排油污会对生态环境、水产业、旅游业等造成严重的影响，因此需要有效的油污监测手段。
航海雷达作为超过500吨的船舶所应该搭载的设备，具有广泛的硬件基础，并且航海雷达不受光照的影响，在夜间依然可以开展工作。因此开展航海雷达溢油探测研究，具有良好的应用前景，并且能够帮助环保及海事部门开展溢油探测工作。但是受限于雷达信号衰减速率，对溢油信息提取受环境干扰较为强烈，对溢油信息提取较为困难。因此，探索一种能够有效降低噪声干扰，提升基于航海雷达图像提取溢油信息能力的技术显得十分必要。
发明内容
根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种基于水面回波模型的X波段导航雷达溢油探测系统，包括
发射探测微波信号和接收微波信号的X波段导航雷达单元；
采集雷达图像的数据采集单元；
接收数据采集单元传送的雷达图像的雷达图像降噪单元，所述雷达图像降噪单元消除雷达图像中的同频干扰噪声获得降噪后图像；
接收所述雷达图像降噪单元传送的降噪后图像的雷达信号水面强度反演单元，所述雷达信号水面强度反演单元构建水面的雷达回波强度图像；
接收雷达图像降噪单元传送的降噪后图像以及雷达信号水面强度反演单元传送的水面微波强度图像的溢油分析提取单元，所述溢油分析提取单元将降噪后图像和反演的水面回波强度雷达图像进行差值计算来分析溢油区域，所述溢油分析提取单元与用于显示提取的溢油信息的显示单元相连接。
所述X波段导航雷达单元采用微波波段为X波段、雷达天线的极化方式为水平极化、垂直极化和圆极化的任意一种或多种。
所述数据采集单元接收X波段导航雷达单元传送的探测模拟电信号并转换为数字信号。
所述雷达图像降噪单元消除雷达图像中的同频干扰噪声时采用同频干扰的方式：先将雷达图像进行坐标转换，转换后横轴为雷达信号水平发射方向，纵轴为探测距离，在转换后的图像上以每一个像素点为中心，计算其水平方向上和垂直方向上M个像素点的灰度值之和，分别为水平方向上M个像素点灰度值之和Lm和垂直方向上M个像素点灰度值之Cm，最后计算Cm和Lm的比值Dm，并通过大津阈值分割方法对图像进行分割，提出的高亮区域为同频干扰区域，将该同频干扰区域的灰度值用水平方向上多个像素点的均值替代，从而实现同频干扰的抑制。
雷达信号水面强度反演单元对降噪后图像进行处理，反演计算出水面的雷达回波强度图像，其反演模型为：
Figure BDA0003397648300000021
其中n为雷达图像的像素点和图像中心相隔的像素点数，α为雷达信号发射的水平角，Pα(n)为拟合的在α角度下、距离n个像素点的位置的灰度值，Di为拟合的系数，N+5为拟合时使用的项数，由此得到水面的雷达回波强度图像。
所述溢油分析提取单元将降噪后图像和反演的水面回波强度雷达图像进行差值计算：
Id＝In-Ir,
其中Id是图像差值，In是降噪处理后的雷达图像，Ir是反演的水面回波强度，基于溢油区域的雷达回波强度低于周围的水面回波强度，因此在图像差值Id小于0的区域为疑似溢油的区域，基于拟合情况与真实情况存在的误差，溢油区域认定为：
Id_oil＝{Id|Id<It},
即溢油区域为Id值小于识别阈值It的区域，其中It值为Ir值10％至30％。
本发明提供的基于水面回波模型的X波段导航雷达溢油探测系统，采用X波段导航雷达设备，与卫星图像、激光荧光等方法相比，应用设备具有广泛的基础。本发明采用中的导航雷达信号水面强度反演方法，能够拟合雷达图像中的水面信号回波信息，基于溢油回波弱与水面回波的特征，快速提取溢油分布信息，并不受其他高强度反射目标的影响，抗干扰能力强。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明装置的结构示意图；
图2为本发明装置方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：
如图1所示的一种基于水面回波模型的X波段导航雷达溢油探测系统，包括用于发射探测微波信号和接收微波信号的X波段导航雷达单元1、用于采集雷达图像的数据采集单元2、用于消除雷达图像中的同频干扰噪声的雷达图像降噪单元3、用于水面雷达回波分析的雷达信号水面强度反演单元4、用于溢油信息识别与提取的溢油分析提取单元5以及用于溢油信息显示的显示单元6；所述X波段导航雷达单元1与数据采集单元2连接，所述数据采集单元2采集的雷达图像进入雷达图像降噪单元3，雷达图像被降噪处理后进入雷达信号水面强度反演单元3，所述雷达图像降噪单元3处理后的雷达图像与雷达信号水面强度反演单元4构建的水面微波强度图像共同进入溢油分析提取单元5，所述显示单元6与溢油分析提取单元5相连，用以显示提取的溢油信息。
本实施例中X波段导航雷达单元1所使用的微波波段为X波段(频率8-12GHz)，极化方式为水平极化、垂直极化和圆极化的任意一种或多种。X波段导航雷达单元1通过发射微波信号和接收反射微波信号来实现目标探测。数据采集单元2将X波段雷达单元接收的模拟电信号转换为数字信号；所使用的采样位数范围为8-16位，采集到的数字信息号在雷达图像上呈现的灰度值最大值为256(8位采样)-65536(16位采样)。雷达图像降噪单元3将数据采集单元2获取的雷达图像进行降噪处理，抑制雷达图像中的同频干扰。其中，对同频干扰的抑制，采用先识别，再抑制的方法。对于同频干扰的识别，先将雷达图像进行坐标转换，转换后横轴为雷达信号水平发射方向，纵轴为探测距离；然后在转换后的图像上，以每一个像素点为中心，计算其水平方向上和垂直方向上M个像素点的灰度值之和，分别为Lm(水平方向上M个像素点灰度值之和)和Cm(垂直方向上M个像素点灰度值之和)；最后计算Cm和Lm的比值Dm，并通过大津阈值分割方法对图像进行分割，提出的高亮区域就是同频干扰区域。针对识别的同频干扰区域，将同频干扰区域的灰度值用水平方向上5至21个像素点的均值替代，从而实现同频干扰的抑制。雷达信号水面强度反演单元4通过降噪的雷达图像，反演水面的回波强度，其反演模型为：
Figure BDA0003397648300000041
其中n为雷达图像的像素点和图像中心相隔的像素点数，α为雷达信号发射的水平角，Pα(n)为拟合的在α角度下、距离n个像素点的位置的灰度值，Di为拟合的系数，N+5为拟合时使用的项数。由此得到水面回波强度的雷达图像反演结果Ir。溢油分析提取单元5通过对比降噪处理后的雷达图像和反演的水面回波强度雷达图像，获取降噪处理后的雷达图像与反演的水面回波强度的差异：
Id＝In-Ir,
其中Id是图像差值，In是降噪处理后的雷达图像，Ir是反演的水面回波强度。基于溢油区域的雷达回波强度低于周围的水面回波强度，因此在图像差值Id小于0的区域为疑似溢油的区域。基于拟合情况与真实情况存在的误差，溢油区域认定为：
Id_oil＝{Id|Id<It},
即溢油区域为Id值小于识别阈值It的区域，其中It值为Ir值的-10％至-30％。显示单元6与溢油分析提取单元5相连，将溢油分析提取单元5分析提取的溢油信息显示在屏幕上，为相关人员提供直接的溢油分布信息。
图2为本发明基于水面回波模型的X波段导航雷达溢油探测方法流程图，如图2所示，本实施例方法，包括：
本实施例中，通过X波段导航雷达单元1发射微波信号，微波波段为X波段(频率8-12GHz)，极化方式为水平极化、垂直极化和圆极化的任意一种或多种。X波段雷达单元接收来自水面、溢油及其他目标的微波回波信号，通过数据采集单元2将X波段雷达单元1接收的模拟电信号转换为数字信号，其中采样过程所使用的采样位数范围为8-16位，采集到的数字信息号在雷达图像上呈现的灰度值最大值为256(8位采样)-65536(16位采样)。通过数据采集单元2获取雷达图像数据，形成雷达图像。然后雷达图像降噪单元3将数据采集单元2获取的雷达图像进行降噪处理，抑制雷达图像中的同频干扰。其中，对同频干扰的抑制，采用先识别，再抑制的方法。对于同频干扰的识别，先将雷达图像进行坐标转换，转换后横轴为雷达信号水平发射方向，纵轴为探测距离；然后在转换后的图像上，计算以每一个像素点为中心，其水平方向上和垂直方向上M个像素点的灰度值之和，分别为Lm(水平方向上M个像素点灰度值之和)和Cm(垂直方向上M个像素点灰度值之和)；最后计算Cm和Lm的比值Dm，并通过大津阈值分割方法对图像进行分割，提出的高亮区域就是同频干扰区域。针对识别的同频干扰区域，将同频干扰区域的灰度值用水平方向上5至21个像素点的均值替代，从而实现同频干扰的抑制。同频干扰抑制举例说明：针对图像中的每一个像素点，以该像素点为中心选取横向7个像素和纵向7个像素，然后计算横向7个像素的的灰度值之和纵向7个像素点的灰度值之和。接下来用纵向7个像素点灰度值之和除以横向7个像素点灰度值之和，进而获得了新的雷达图像，然后通过大津算法，能够识别高亮区域，则将该高亮区域判定为同频干扰区域。然后针对选取的同频干扰区域，用选取区域的每一个像素点水平方向上左右各5个像素点灰度值的平均值替代该像素的灰度值，从而实现同频干扰抑制工作。
雷达信号水面强度反演单元4通过降噪的雷达图像，反演水面的回波强度，其反演模型为：
Figure BDA0003397648300000051
其中n为雷达图像的像素点和图像中心相隔的像素点数，α为雷达信号发射的水平角，Pα(n)为拟合的在α水平角度下、距离n个像素点的位置的灰度值，Di为拟合的系数，N+5为拟合时使用的项数。由此得到水面回波强度的雷达图像反演结果Ir。水面回波强度反演举例说明：在计算中，设置N＝-1，则拟合表达式为：
Pα(n)＝D1n-1+D2n-2+D3n-3+D4n-4,
利用α水平角度下的回波雷达图像灰度值Pα(n)，通过最小二乘法拟合出α水平角度下的反演系数D1，D2，D3和D4。将所有方向的回波都拟合出来之后，就建立了水面回波强度图像。
溢油分析提取单元5通过对比降噪处理后的雷达图像和反演的水面回波强度雷达图像，获取降噪处理后的雷达图像与反演的水面回波强度的差异：
Id＝In-Ir,
其中Id是图像差值，In是降噪处理后的雷达图像，Ir是反演的水面回波强度。基于溢油区域的雷达回波强度低于周围的水面回波强度，因此在图像差值Id小于0的区域为疑似溢油的区域。基于拟合情况与真实情况存在的误差，溢油区域认定为：
Id_oil＝{Id|Id<It},
即溢油区域为Id值小于识别阈值It的区域，其中It值为Ir值的-10％至-30％。溢油识别提取举例说明：图像差值Id的某一个像素位置的取值，如果低于Ir在相同位置的像素点的取值的-10％，则认为该像素点对应的区域为溢油区域，否则为非溢油区域。
显示单元6与溢油分析提取单元5相连，将溢油分析提取单元5分析提取的溢油信息显示在屏幕上，为相关人员提供直接的溢油分布信息。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于水面回波模型的X波段导航雷达溢油探测系统，其特征在于：包括：
发射探测微波信号和接收微波信号的X波段导航雷达单元；
采集雷达图像的数据采集单元；
接收数据采集单元传送的雷达图像的雷达图像降噪单元，所述雷达图像降噪单元消除雷达图像中的同频干扰噪声获得降噪后图像；
接收所述雷达图像降噪单元传送的降噪后图像的雷达信号水面强度反演单元，所述雷达信号水面强度反演单元构建水面的雷达回波强度图像；
接收雷达图像降噪单元传送的降噪后图像以及雷达信号水面强度反演单元传送的水面微波强度图像的溢油分析提取单元，所述溢油分析提取单元将降噪后图像和反演的水面回波强度雷达图像进行差值计算来分析溢油区域，所述溢油分析提取单元与用于显示提取的溢油信息的显示单元相连接。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述X波段导航雷达单元采用微波波段为X波段、雷达天线的极化方式为水平极化、垂直极化和圆极化的任意一种或多种。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述数据采集单元接收X波段导航雷达单元传送的探测模拟电信号并转换为数字信号。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述雷达图像降噪单元消除雷达图像中的同频干扰噪声时采用同频干扰的方式：先将雷达图像进行坐标转换，转换后横轴为雷达信号水平发射方向，纵轴为探测距离，在转换后的图像上以每一个像素点为中心，计算其水平方向上和垂直方向上M个像素点的灰度值之和，分别为水平方向上M个像素点灰度值之和Lm和垂直方向上M个像素点灰度值之Cm，最后计算Cm和Lm的比值Dm，并通过大津阈值分割方法对图像进行分割，提出的高亮区域为同频干扰区域，将该同频干扰区域的灰度值用水平方向上多个像素点的均值替代，从而实现同频干扰的抑制。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：雷达信号水面强度反演单元对降噪后图像进行处理，反演计算出水面的雷达回波强度图像，其反演模型为：
Figure FDA0003397648290000021
其中n为雷达图像的像素点和图像中心相隔的像素点数，α为雷达信号发射的水平角，Pα(n)为拟合的在α角度下、距离n个像素点的位置的灰度值，Di为拟合的系数，N+5为拟合时使用的项数，由此得到水面的雷达回波强度图像。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述溢油分析提取单元将降噪后图像和反演的水面回波强度雷达图像进行差值计算：
Id＝In-Ir，
其中Id是图像差值，In是降噪处理后的雷达图像，Ir是反演的水面回波强度，基于溢油区域的雷达回波强度低于周围的水面回波强度，因此在图像差值Id小于0的区域为疑似溢油的区域，基于拟合情况与真实情况存在的误差，溢油区域认定为：
Id_oil＝{Id|Id＜It}，
即溢油区域为Id值小于识别阈值It的区域，其中It值为Ir值10％至30％。
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