CN115755043B - 一种基于x波段非相参雷达的波浪场重构及预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于海浪预报相关技术领域，其公开了一种基于X波段非相参雷达的波浪场重构及预测方法，该方法包括以下步骤：(1)获取X波段非相参雷达图像，并得到对应的雷达强度图像数据集；(2)选取矩形样本窗口并进行数据处理，对于矩形样本窗口使用全新的波浪场重构方法进行波浪场重构，以得到重构的波浪场；(3)对重构的波浪场进行数据处理，得到可预测区域，根据重构波浪场的有义波高判断所处海况，针对不同海况使用相应的波浪模型进行下游指定海域的波浪场预测。本发明用原始强度值减去所有未被遮挡点的强度值均值，而被遮挡的点的强度值保持原始值，以此达到修正目的，提高了波浪场重构的准确度和精确度。

Description

一种基于X波段非相参雷达的波浪场重构及预测方法

技术领域

本发明属于海浪预报相关技术领域，更具体地，涉及一种基于X波段非相参雷达的波浪场重构及预测方法。

背景技术

人们对于波浪的研究也越来越多，获取波浪信息不仅可以保证船舶行驶和海上作业的安全，还可以保护海岸以及便于实施海上救援任务。

如今获取波浪参数可以通过浮标、测流计等实地测量工具，但由于这种测量方式是单点测量，测量工具的部署耗时耗力，并且在检测大面积海域时效率较低。相比较而言，通过X波段非相参雷达测量获取的海域面积更大，使得获取波浪场的效率更高。不同海况下波浪高度不同，给海上作业等带来的挑战也有所不同，但是只适用一种模型去预测所有海况下的波浪场，效果往往不好。所以面对不同海况时，需要用不同的模型进行波浪场预测，从而提高波浪场预测的可行性，有利于进行海上作业等。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于X波段非相参雷达的波浪场重构及预测方法，基于X波段非相参雷达进行波浪场重构，求得可预测区域，提出一种与海况相适应的波浪预测方法。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，一种基于X波段非相参雷达的波浪场重构及预测方法，该方法主要包括以下步骤：

(1)获取X波段非相参雷达图像，并得到对应的雷达强度图像数据集；

(2)选取矩形样本窗口并进行数据处理，对于矩形样本窗口使用全新的波浪场重构方法进行波浪场重构，以得到重构的波浪场；

(3)对重构的波浪场进行数据处理，得到可预测区域，根据重构波浪场的有义波高判断所处海况，针对不同海况使用相应的波浪模型进行下游指定海域的波浪场预测。

进一步地，获取得到的X波段非相参雷达图像数据包括角度、径向距离及雷达强度值。

进一步地，数据处理时，将矩形样本窗口在极坐标下的数值转换至直角坐标下，矩形样本窗口长宽均为1km。

进一步地，波浪场重构方法包括以下子步骤：X波段雷达图像修正、三维傅里叶变换、高通滤波、带通滤波、图像谱修正、逆三维傅里叶变换和图像尺度化。

进一步地，得到样本窗口中波浪的最大群速度、最小群速度和周期，计算出可预测区域的边界，计算公式为：

t₁＝x/C_min

t₂＝T+x/C_max

其中，t₁表示可预测时间起点，t₂表示可预测时间终点，x表示所求点距离样本窗口距离，T表示波分量周期，C_min表示波分量最小群速度，C_max表示波分量最大群速度。

进一步地，根据重构波浪场的有义波高，获得重构波浪场对应的海况等级。

进一步地，波浪场不同海况预测模型具体为：海况等级为一至二级时，采用线性波浪理论进行波浪场预测；海况等级为三至四级时，采用考虑色散关系修正的二阶波浪理论进行波浪场预测；海况等级为五级及以上时，采用三阶非线性Zakharov方程进行波浪场预测。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的基于X波段非相参雷达的波浪场重构及预测方法主要具有以下有益效果：

1.本发明提出了一种全新的、高效的波浪场重构方法，核心是对于获取的原始X波段非相参雷达图像进行修正，首先将获取的原始X波段非相参雷达图像中被遮挡的点的强度值从非负值修正为均值为零的值，即用原始强度值减去所有未被遮挡点的强度值均值，而被遮挡的点的强度值保持原始值，以此达到修正目的，相比于原始未修正的X波段非相参雷达图像，提高了波浪场重构的准确度和精确度。

2.根据重构波浪场的有义波高判断所处海况，对不同海况等级使用与之对应的波浪预测模型。海况等级为一至二级时，采用线性波浪理论进行波浪场预测；海况等级为三至四级时，采用考虑色散关系修正的二阶波浪理论进行波浪场预测；海况等级为五级及以上时，采用三阶非线性Zakharov方程进行波浪场预测。该波浪预测方法在保证预测精度的同时，最大程度地减少计算量，同时可有效保证波浪预测的稳定性，兼顾了波浪场预测的准确性和灵活性。

3.由于X波段非相参雷达图像强度在时间上不具有周期性会导致频谱泄露，故采用零填充来最小化频谱泄露在三维傅里叶变化中的影响，即在X波段非相参雷达图像前后各添加全零数据图像。

附图说明

图1是本发明提供的一种基于X波段非相参雷达的波浪场重构及预测方法的流程示意图；

图2是X波段非相参雷达强度图像；

图3是矩形样本窗口雷达图像；

图4是波浪场重构流程示意图；

图5是矩形样本窗口波浪场重构图；

图6是可预测区域示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供了一种基于X波段非相参雷达的波浪场重构及预测方法，所述方法主要包括以下步骤：

步骤一，获取X波段非相参雷达图像，并得到对应的雷达强度图像数据集。获取得到的X波段非相参雷达图像数据包括角度、径向距离及雷达强度值。

步骤二，选取矩形样本窗口并进行数据处理，对于矩形样本窗口使用全新的波浪场重构方法进行波浪场重构，以得到重构的波浪场。

数据处理时，将矩形样本窗口在极坐标下的数值转换至直角坐标下。处理后的数据包括：横坐标、纵坐标和波高值。

波浪场重构方法具体为：X波段雷达图像修正、三维傅里叶变换、高通滤波、带通滤波、图像谱修正、逆三维傅里叶变换和图像尺度化。

步骤三，对重构的波浪场进行数据处理，得到可预测区域，根据重构波浪场的有义波高判断所处海况，针对不同海况使用相应的波浪模型进行下游指定海域的波浪场预测。

得到样本窗口中波浪的最大群速度、最小群速度和周期，计算出可预测区域的边界，计算公式为：

t₁＝x/C_min

t₂＝T+x/C_max

其中，t₁表示可预测时间起点，t₂表示可预测时间终点，x表示所求点距离样本窗口距离，T表示波分量周期，C_min表示波分量最小群速度，C_max表示波分量最大群速度。

根据重构波浪场的有义波高，获得重构波浪场对应的海况等级。

针对不同海况使用相应的波浪模型进行下游指定海域的波浪场预测。海况等级为一至二级时，采用线性波浪理论进行波浪场预测；海况等级为三至四级时，采用考虑色散关系修正的二阶波浪理论进行波浪场预测；海况等级为五级及以上时，采用三阶非线性Zakharov方程进行波浪场预测。

以下以具体实施例来对本发明进行进一步的详细说明。

如图1至图6所示，根据X波段非相参雷达图像进行矩形样本窗口的波浪场重构，再求矩形样本窗口所对应的可预测区域，最后进行波浪场预测

(1)雷达图像数据集

根据目标，获取32张极坐标系下的X波段非相参雷达图像，采样时间间隔为1s，角度分辨率为0.5°，径向分辨率为10m，数据集的维度是三维，分别为角度、径向距离及时间。

(2)波浪场重构

对于X波段非相参雷达图像进行波浪场重构可以得到重构的波浪场，包括如下步骤：

2.1)取x∈[500,1500]，y∈[-500,500]范围内的图像作为矩形样本窗口，由于原雷达强度图像数据点为径向分布，故需要进行插值，实现坐标转换，矩形样本窗口x轴、y轴分辨率均为5m，得到矩形样本窗口的三维数据集。

将雷达图像强度值从非负范围转换为均值接近0的值，具体公式如下：

其中，ρ为原雷达图像强度，ρ₀为未被遮挡点的平均强度值，

为修正后雷达图像强度值，β为经验参数，s为阴影函数，当该点被遮挡时取s＝0，否则取s＝1。

由于仿真的X波段雷达图像强度在时间上不具有周期性会导致频谱泄露，故采用零填充来最小化频谱泄露在三维傅里叶变化中的影响，即在X波段雷达图像前后各添加全零数据。

2.2)对矩形样本窗口进行三维傅里叶变换成图像谱I0，将图像从时域转至频域进行分析，计算公式为：

其中，A₀代表I₀对应幅值，

代表I₀对应相位，k_x、k_y代表波数，ω代表频率，η代表波高，x、y代表样本窗口横纵坐标值，t代表雷达图像采样时间。

2.3)对图像谱I₀进行高通滤波和带通滤波操作，以提取与波相关的频谱，计算公式如下：

ω_cut0＝cΔω＝c×2π/T；

ω_b＝bΔω；

其中，ω_cut0代表截止频率，c代表经验参数，取c＝2，Δω代表频率间隔，T代表雷达图像总时长，I₁代表高通滤波操作后的图像谱，A₁代表I₁对应幅值，

代表I₁对应相位，g代表重力加速度，U代表表面流速向量，使用最小二乘法测定，H代表水深，k代表波数，b代表经验参数，取b＝2，ω_cut1、ω_cut2代表截止频率上下限，I₂代表带通滤波操作后的图像谱，A₂代表I₂对应幅值，/>

代表I₂对应相位。

2.4)由于存在阴影调制等调制过程，导致频谱I₂不等于实际波谱，需进行图像谱修正，计算公式如下：

A_c(k_x，k_y，ω)＝A₂(k_x，k_y，ω)·M(k)＝A₂(k_x，k_y，ω)·(k)^-q；

其中，A_c代表A₂修正后的幅值，M代表调制传递函数，k代表波数。

由于X波段相参雷达重构波浪场准确度更高，对于相同波浪场利用X波段相参雷达的重构波场对上述公式中的q进行校核，得到q＝0.5。

2.5)由A_c和

计算出修正后的图像谱I_c，通过逆三维傅里叶变换求得未尺度化的波浪场η_E，计算公式如下：

2.6)对未尺度化的波浪场进行尺度化，得到重构波浪场η_c，计算公式如下：

其中，Hs代表有效波高，σ_ηE代表η_E的标准差，C₁、C₂为常量，SR为信噪比。

(3)可预测区域及波浪场预测

对重构的波浪场进行数据处理，得到可预测区域，获取重构波浪场的海况等级，针对不同海况使用相应的波浪模型进行下游指定海域的波浪场预测，包括如下步骤：

3.1)得到样本窗口中波浪的最大群速度、最小群速度和周期，计算出可预测区域的边界，计算公式如下：

t₁＝x/C_min；

t₂＝T+x/C_max；

其中，t1表示可预测时间起点，t₂表示可预测时间终点，x表示所求点距离样本窗口距离，T表示波分量周期，C_min表示波分量最小群速度，C_max表示波分量最大群速度。

3.2)根据重构波浪场的有义波高，获得重构波浪场对应的海况等级。针对不同海况，使用不同模型对下游指定海域的波浪场进行预测。

海况等级为一至二级时，波浪的陡度较小，采用线性理论进行时空上的波浪场预测，以单向波为例，计算公式如下：

其中N表示样本点数量，Y(0)表示重构波浪场的波高值，Y表示傅里叶系数，Y^*表示共轭复数，k_m表示波数，ω_m表示频率，k_m和ω_m满足线性色散关系，

g为重力加速度。

海况等级为三至四级时，波浪陡度增加，体现出非线性效应，采用考虑色散关系修正的二阶波浪理论进行时空上的波浪场预测，以单向波为例，计算公式如下：

其中，Ω_m表示非线性频率修正，计算公式如下：

Ω_m＝ω_m+∑_pe_mpT_mp|B_p|²；

其中，ω_m表示线性频率，e_mp、T_mp和B_p由以下计算公式算出：

其中，m、p代表选取样本点，k表示波数，N表示样本点数量，g表示重力加速度，ω表示频率。

海况等级为五级及以上时，采用三阶非线性Zakharov方程获取各波分量振幅随时间的变化，从而进行波浪场预测，计算公式如下：

其中，Y(m,t)为与振幅相关的修正后的傅里叶系数。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于X波段非相参雷达的波浪场重构及预测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)获取X波段非相参雷达图像，并得到对应的雷达强度图像数据集；

(2)选取矩形样本窗口并进行数据处理，对于矩形样本窗口进行波浪场重构，以得到重构的波浪场；

(3)对重构的波浪场进行数据处理，得到可预测区域，根据重构波浪场的有义波高判断所处海况，针对不同海况使用相应的波浪模型进行下游预定海域的波浪场预测；

其中，得到样本窗口中波浪的最大群速度、最小群速度和周期，计算出可预测区域的边界，计算公式为：

t₁＝x/C_min

t₂＝T+x/C_max

其中，t₁表示可预测时间起点，t₂表示可预测时间终点，x表示所求点距离样本窗口距离，T表示波分量周期，C_min表示波分量最小群速度，C_max表示波分量最大群速度。

2.如权利要求1所述的基于X波段非相参雷达的波浪场重构及预测方法，其特征在于：获取得到的X波段非相参雷达图像数据包括角度、径向距离及雷达强度值。

3.如权利要求1所述的基于X波段非相参雷达的波浪场重构及预测方法，其特征在于：数据处理时，将矩形样本窗口在极坐标下的数值转换至直角坐标下，矩形样本窗口长宽均为1km。

4.如权利要求1所述的基于X波段非相参雷达的波浪场重构及预测方法，其特征在于：波浪场重构包括以下子步骤：X波段非相参雷达图像修正、三维傅里叶变换、高通滤波、带通滤波、图像谱修正、逆三维傅里叶变换和图像尺度化。

5.如权利要求4所述的基于X波段非相参雷达的波浪场重构及预测方法，其特征在于：对获取的原始X波段非相参雷达图像进行修正，首先将获取的原始X波段非相参雷达图像中被遮挡的点的强度值从非负值修正为均值为零的值，即用原始强度值减去所有未被遮挡点的强度值均值，而被遮挡的点的强度值保持原始值，以此达到修正目的，采用的公式为：

其中，ρ为原雷达图像强度，ρ₀为未被遮挡点的平均强度值，

为修正后雷达图像强度值，β为经验参数，s为阴影函数，当点被遮挡时取s＝0，否则取s＝1；

其次，在X波段非相参雷达图像前后各添加全零数据图像。

6.如权利要求1所述的基于X波段非相参雷达的波浪场重构及预测方法，其特征在于：针对不同海况使用相应的波浪模型，其中，

海况等级为一至二级时，采用线性波浪理论进行时空上的波浪场预测，以单向波为例，采用的公式为：

其中N表示样本点数量，Y(0)表示重构波浪场的波高值，Y表示傅里叶系数，Y^*表示共轭复数，k_m表示波数，ω_m表示频率，k_m和ω_m满足线性色散关系，

g为重力加速度。

7.如权利要求6所述的基于X波段非相参雷达的波浪场重构及预测方法，其特征在于：海况等级为三至四级时，波浪陡度增加，体现出非线性效应，采用考虑色散关系修正的二阶波浪理论进行时空上的波浪场预测，以单向波为例，采用的公式为：

其中，Ω_m表示非线性频率修正，采用的公式为：

Ω_m＝ω_m+∑_pe_mpT_mp|B_p|²；

其中，ω_m表示线性频率，e_mp、T_mp和B_p采用的公式为：

其中，m、p代表选取样本点，k表示波数，N表示样本点数量，g表示重力加速度，ω表示频率。

8.如权利要求6所述的基于X波段非相参雷达的波浪场重构及预测方法，其特征在于：海况等级为五级及以上时，采用三阶非线性Zakharov方程获取各波分量振幅随时间的变化，从而进行波浪场预测，采用的公式为：

其中，Y(m,t)为与振幅相关的修正后的傅里叶系数。

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