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
【专利摘要】本发明属于利用遥感手段反演海洋表面风向的领域，特别涉及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。本发明包括：雷达图像预处理；提取海面静态特征；反演海面风向信息。本发明提出的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，不需要空间域缩减，能自动适应不同尺度的风条纹，可以在不同海况条件下测量风向，误差结果稳定，工程可用度高。本发明提出的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，通过波数能量谱波数尺度分离只将风条纹能量谱提取出来，提高了风向反演精度，降低了其他尺度噪声的干扰。
【专利说明】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
【技术领域】
[0001]本发明属于利用遥感手段反演海洋表面风向的领域，特别涉及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。
【背景技术】
[0002]海面风场是海-汽交界面的重要动力来源，对航海作业和海洋动力学研究有重要的意义。海面风场信息主要包括海面风向和海面风速两个方面，本发明是用于反演海面风向信息的。
[0003]传统风向信息获取方法主要分为两大类:站点式现场测量和遥感测量。
[0004]站点式现场测量主要有岸基风向标单点测量、浮标、观测船上测量等，但这种测量方式易受周围遮挡环境和天气影响，海上测量受船舶和浮标运动等影响，并且对于远洋海域很难放置设备获取测量数据[1-3]。见参考文献[1-3](段华敏.X波段雷达提取海面风场.中国海洋大学硕士论文.2009，1-3页.杨劲松.合成孔径雷达海面风场、海浪和内波遥感技术.北京:海洋出版社，2005:1-3，24-44页.Wu L C，Doong D J1WuC Cj etal.Wave and current extraction from marine radar images.0cean Wavesand Analysis, Proceedings of the Fifth International Symposium on Ocean WaveMeasurement and Analysis, Madrid Spain,2005.)
[0005]遥感测量主要有机载或星载的微波散射计、SAR等，这种手段可以测量大面积海面风场数据。但仍存在一些无法克服的缺陷:对于机载遥感技术，飞机航行受天气影响较大，在恶劣海洋气象状态下是无法工作的。对于卫星遥感测量技术，其空间分辨率低，无法获取近岸数据；时间采样率低，无法获得实时海洋数据；通过研究发现卫星云图上获得的多为云顶风而不是海表面风场信息[4-8]。见参考文献[4-8](Horstmann Jj Koch Wj Lehner S，etal.0cean winds from RADARSAT-1ScanSAE.Can J Remote Sens.2002,28 (3):524-533P.Horstmann Jj Lehner S and RosenthalW.Detection of wave groups in SAR images and radar image sequences.1EEETrans Geosci Remote Sens，2003，41:1437-1446P.Horstmann J，Koch W.Measurementofocean surface winds using synthetic aperture radars.1EEE Journal of OceanicEngineering, 2005，30 (3):508-515P.Horstmann J，Schiller H，StelIenfIeth JSjetal.Global wind speed retrieval from SAR.1EEE Transactions on Geoscienceand Remote Sensing，2003，41 (10):2277-2286P.Plant W Jj Keller W C and HayesK.Simulaneous measurement of ocean winds and waves with an airborne coherentreal aperture radar.Journal of Atmospheric and Oceanic Technology - specialsection,2004，22:832_846P.)
[0006]导航雷达是一种具有高时空分辨率的脉冲式雷达系统，通过旋转发射X波段微波，获取与海面发生后向散射的海面信号。X波段导航雷达因具有不受光线影响、不受天气影响、实时连续反馈、高分辨率和使用便捷等优点成为海面气象数据获取研究的热点。[0007]应用X波段导航雷达图像测量海面风向国内外主要分为两类:一类是基于雷达回波强度和风向分布关系提取海面风向信息；一类是基于海面风速分布不均匀导致的雷达回波图像中呈现出的风条纹来计算海面风向信息。
[0008]1998年，Hatten等人提出基于雷达回波强度和风向分布关系提取海面风向/[目息，依据雷达观测方向与海面风向夹角不同时，雷达回波强度呈现非线性分布，从而获取海面风向信息。文献指出HH极化X波段雷达观测方向是逆风向时雷达回波强度达到最大，从而确定逆风方向来获取海表面主风向[9]。但是此方法需要360°全幅无遮挡的X波段雷达图像，但无论岸基、塔基还是航海雷达都是无法实现全幅无遮挡探测的，因此，此方法在工程和实验中都是无法实现的。见参考文献[9] (Hatten H, Seemann J, Horstmann J, etal.Azimuthal dependence of the radar cross section and the spectral backgroundnoise of a nautical radar at grazing incidence.1nternational Geoscience andRemote Sensing Symposium.Seattle, USA, 1998, 5:2490-2492P)
[0009]另一类是应用雷达回波强度与风速的关系，主要是基于海面风速分布不均匀导致的雷达回波图像中呈现出的风条纹来计算海面风向信息。雷达回波上存在的风条纹成因如下:
[0010]当风掠过海面时会产生风切应力，海-气界面上会受到不均匀的风切应力作用，由于风切应力的不同会产生分布不均匀的阵风风速场叠加在海面上，由于风速的作用在海面上会产生不同尺度的微湍流，这些微湍流改变了海表面的粗糙度。因此，根据粗糙度的分布在X波段导航雷达图像上会形成亮暗相间的条纹，即风条纹。风条纹的尺度为100?500m，频率接近静态或准静态，风条纹方向与风向平行[10]。见参考文献[10] (Moeng C
H,Sullivan P.A Comparison of Shear-and Bouyancy-Driven Planetary Boundary LayerFlower[M].)。
[0011]2004年，Dankert等人提出应用光流法从X波段导航雷达图像序列中提取海面风向信息，利用提取的风条纹在多幅图像上的移动来确定风场信息，这就要求在连续的图像上存在灰度一致的风条纹[11]。但风条纹信号是静态信号，根据风条纹的成因在同一序列图像中无法获得风条纹的移动，因此光流法在理论和实验中都证明是无法反演海面风向的。见参考文献[11] (Dankert H, Horstmann J, Rosenthal ff.0cean surface windsretrieved from marine radar image sequences.1nternational Geosciences andRemote Sensing Symposium, 2004, 3:1903-1906P)
[0012]2003年，Dankert等人提出应用局部梯度法从X波段导航雷达图像序列中测量海面风向。此算法首先需要从X波段导航雷达图像序列中提取出海面静态特征图像，再对海面静态特征图像进行平滑和缩减得到风条纹图像，然后应用Sobel算子来求取风条纹图像梯度方向，由于风向与风条纹方向平行，梯度的垂直方向就是海面风向。Dankert等人已经应用来自Ekofish2/4和FINO-1平台的数据验证了应用此算法计算海面风向信息的可行性[12]。见参考文献[12] (Dankert H, Horstmann J, Rosenthal ff.0cean wind fieldsretrieved from radar image sequences.Journal of Geophysical Research, 2003, 108(Cll):16-1-16-11P)
[0013]局部梯度法是对风条纹图像进行空间域处理的，通过实验发现此方法计算海面风向的关键在于对海面静态特征图像缩减和平滑的次数，只有缩减后图像分辨率为风条纹尺度的1/16~1/4时，才能计算出正确的风条纹的梯度，从而获得准确的海面风向。但风条纹的尺度是在100~500之间不定的，在工程中无法自动寻找到合适的缩减图像分辨率，而固定的缩减图像分辨率会导致风向反演误差不稳定，进而导致此算法无法实际应用。
[0014]本发明提出了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，此方法不需要对海面静态特征图像进行空间域的缩减和平滑处理，只需根据风条纹的特性就可以将其能量谱特征提取出来，从而计算出海面风向，既可以满足工程对海面风向的精度又可以程序化应用到工程中去。
【发明内容】
[0015]本发明的目的在于提供一种保证海面风向反演精度，又能适用工程实时反馈海面风向信息的基于波数能量谱的导航雷达图像反演海面风向的方法。
[0016]本发明的目的是这样实现的:
[0017](I)雷达图像预处理:
[0018]对实测X波段导航雷达图像应用2-D非线性平滑中值滤波，
[0019]
【权利要求】
1.一种基于波数能量谱的导航雷达图像反演海面风向的方法，其特征在于: (1)雷达图像预处理: 对实测X波段导航雷达图像应用2-D非线性平滑中值滤波，
2.根据权利要求1所述的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，其特征在于:计算风条纹波长尺度下限Ld取500m。
3.根据权利要求1所述的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，其特征在于:计算风条纹波长尺度上限Lt取100m。
4.根据权利要求1所述的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，其特征在于:船艏向角α取93°。
【文档编号】G01S13/95GK103941257SQ201410145846
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年4月11日 优先权日:2014年4月11日
【发明者】卢志忠, 王慧, 邱海洋, 熊平, 吕杰, 戴云桃, 葛琪, 卫延波, 冯海玉, 孙铎 申请人:哈尔滨工程大学