基于海用相参雷达测量海浪参数的方法与流程

本发明涉及海浪参数测量方法。

背景技术：

海浪参数如表面流速，波向及有效波高的测量对海岸保护，航运以及海上工业运营都有着至关重要的影响。准确的海洋环境监测数据可以为上述工作提供有效指导和参考，从而确保海洋资源的合理开采及海上航运的安全性。

x波段海用雷达的工作频率为8-12ghz，标准工作波长为3cm。与传统浮标和测量计等单点测量设备相比，x波段雷达具有监控范围广、维护成本低、成像分辨率高的特点。鉴于上述优点，x波段海用雷达在海洋遥感领域的发展尤为迅速，正逐步取代过去几十年间使用的浮标成为目前测量海浪参数的主要工具之一。

在利用x波段海用雷达进行海浪测量方向，针对于非相参雷达提出的傅里叶变换算法已经相对成熟，且已经成功应用于一些商业产品。该算法可以从雷达图像序列中提取出海浪谱、表面流速以及有效波高等可以实时观测海况信息的参数。然而由于重力波对雷达回波的调制作用使得海浪雷达图像的强度与海浪波高呈非线性关系，传统三维傅里叶变换算法不可避免地需要使用调制传递函数对雷达图像谱进行校正以获得海浪谱。然而，调制传递函数的形式复杂多样，求取复杂，且受众多因素的影响，导致计算复杂度大，获得的海浪谱参数精确度低。虽然目前已经提出一些调制传递函数的经验公式，但是都存在不同程度的局限性。

技术实现要素：

本发明的目的为了解决基于非相参雷达计算复杂度大，获得的参数精度低的问题，而提出基于海用相参雷达测量海浪参数的方法。

基于海用相参雷达测量海浪参数的方法具体过程为：

步骤一：利用海浪径向速度重构海面波高场；

步骤二：对重构海面波高场序列进行子图像选取及标准化，得到重构海面波高场子图像序列；

步骤三：对重构海面波高场子图像序列进行三维傅里叶变换获取三维海浪谱；

步骤四：结合经验关系，对三维海浪谱进行高通滤波，去除噪声，获得去除噪声后的三维海浪功率谱；

步骤五：根据频散关系，对步骤四获得的去除噪声后的三维海浪功率谱进行带通滤波，再次去除噪声，获得海浪相关三维海浪谱；

步骤六：对步骤五获得的海浪相关三维海浪谱进行频率维度积分，获得二维海浪方向谱；

步骤七：根据二维海浪方向谱进一步计算获得海浪参数：海浪频谱、平均角频率、平均周期、峰值角频率、主波方向及有效波高。

本发明的有益效果为：

本发明x波段相参雷达相比于非相参雷达，不仅多获得一维速度信息，且可以提供更高的距离分辨率以检测更小尺寸的海浪。由于水质点径向速度与海浪波高之间存在直接联系，因此可以直接使用海浪径向速度重构海面波高场。重构的海面波高场未经过复杂的成像调制，可以取代原始海浪雷达图像，重构海面波高场与原始波高具有更高的相似度，利用重构海面波高场计算的海浪参数具有更高的精确度，这不仅避免了传统基于海用雷达获取海浪参数的频谱分析方法必须要使用调制传递函数校正图像谱的问题，获得海浪参数的整个过程无需使用调制传递函数，降低了计算复杂度，而且可以避免调制传递函数对结果精度的影响以获得更高精度的海浪参数。

如图6所示，本发明提出的改进算法所获得的海浪频谱比传统算法获得的海浪频普更接近原始曲线。与此同时获得的海浪参数包括平均角频率为0.84弧度/米，偏差0.06弧度/米；平均周期7.51秒，偏差0.51秒；峰值角频率0.74弧度/秒，偏差0.05；主波方向-3.46度，偏差3.46度；有效波高3.38米，偏差0.12米。因此可以证明，本发明提出的基于海用相参雷达测量海浪参数的三维傅里叶变换算法具有可行性，且可以获得高精度海浪参数。

附图内容

图1为基于海用相参雷达测量海浪参数的方法流程图；

图2为p-m谱派生的ittc双参数谱示意图；

图3为仿真的t＝0秒时的海浪径向速度场示意图；

图4a为t＝0秒时的重构海面波高场示意图；

图4b为t＝0秒时的原始海面波高场示意图；

图5a为随机方向的重构波高与原始波高比较1图，横坐标为距离，单位为米，纵坐标为波高；

图5b为随机方向的重构波高与原始波高比较2图，横坐标为距离，单位为米，纵坐标为波高；

图5c为随机方向的重构波高与原始波高比较3图，横坐标为距离，单位为米，纵坐标为波高；

图6为传统方法与改进方法获得海浪谱的比较图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式基于海用相参雷达测量海浪参数的方法具体过程为：

步骤一：利用海浪径向速度重构海面波高场；

步骤二：对重构海面波高场序列进行子图像选取及标准化，得到重构海面波高场子图像序列；

步骤三：对重构海面波高场子图像序列进行三维傅里叶变换获取三维海浪谱；

步骤四：结合经验关系，对三维海浪谱进行高通滤波，去除噪声，获得去除噪声后的三维海浪功率谱；

步骤五：根据频散关系，对步骤四获得的去除噪声后的三维海浪功率谱进行带通滤波，再次去除噪声，获得海浪相关三维海浪谱；

步骤六：对步骤五获得的海浪相关三维海浪谱进行频率维度积分，获得二维海浪方向谱；

步骤七：根据二维海浪方向谱进一步计算获得海浪参数：海浪频谱、平均角频率、平均周期、峰值角频率、主波方向及有效波高。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤一中利用海浪径向速度重构海面波高场；具体过程为：

步骤一一、对某一时刻的整个雷达观察范围内的1副海浪径向速度进行距离维度积分获得速度势函数

其中，rmin是雷达盲区，u(r,θ,t)是海浪径向速度，r为径向距离，θ为方位角，t为时间；

步骤一二、根据小振幅波理论及自由海面的运动学边界条件，确定重构海面波高场为

其中，g是重力加速度，ωη是自由表面水质点的垂直运动速度；

假设观测海面满足线性波理论且不受岸基浪流作用，即存在时间平稳性和空间均匀性，具有高精度的重构海面波高场可近似为

步骤一三、对随时间变化的64幅海浪径向速度场重复步骤一一、步骤一二获得重构海面波高场序列。

其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述步骤二中对重构海面波高场序列进行子图像选取及标准化，得到重构海面波高场子图像序列；具体过程为：

由于雷达回波受高的海浪的遮挡，回波会产生一定程度的丢失，这种现象被称为阴影调制。阴影调制使得距离雷达较远处的海浪径向速度丢失或不准确，进而引起重构海面波高的不准确。为了尽量避免阴影调制以及边界区域对海浪参数估计带来的影响，要对重构海面波高场序列做如下操作。

步骤二一、对重构海面波高场进行子图像选取；

步骤二二、将子图像由极坐标系变换到笛卡尔坐标系下；

步骤二三、对子图像进行归一化处理，即将子图像每个位置的波高减去64幅图中该位置波高值构成的时间波高序列的平均值；

例如获得64幅图像都是1000×1000的矩阵，每一幅图每一个位置有一个值，第一幅图中比如(1,1)位置有一个值a1，第二幅图同一位置(1,1)位置有一个值a2，第三幅图同一位置(1,1)位置有一个值a3，a1、a2、a3……a64这些序列构成时间波高序列；

步骤二四、对64幅重构海面波高场重复步骤二一、步骤二二、步骤二三获得子图像序列。

其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述对重构海面波高场进行子图像选取，过程为：

选取海面原始波高与重构海面波高相关系数大于0.8的矩形区域进行后续处理，确保选取的子图像区域具有良好的重构效果。

其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述步骤三中对重构海面波高场子图像序列进行三维傅里叶变换获取三维海浪谱；具体过程为：

对离散化的重构海面波高子图像序列做三维傅里叶变换获得三维海浪谱

其中δx、δy和δt是空间和时间维度的间隔；kx，ky分别为x方向和y方向的波数，kx＝kcosθ，ky＝ksinθ，k为波数；ω为雷达角频率；lx、ly和t分别为空间和时间维度的尺度值即图像在x方向、y方向和时间t上的离散点数值，但系数为一恒定值对归一化后的海浪谱影响不大因此予以忽略。

其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述步骤四中结合经验关系，对三维海浪谱进行高通滤波，去除噪声，获得去除噪声后的三维海浪功率谱；具体过程为：

实际的波浪频率是有一定范围的，如果通过雷达图像得到的频率分量超出此范围，则认为该分量不是波浪产生的，而是由于其他干扰产生。为去除非平稳及非均匀趋势，需要对三维海浪谱进行高通滤波。

步骤四一、计算三维海浪功率谱

系数为一恒定值对归一化后的海浪谱影响不大因此予以忽略；

步骤四二、根据经验关系，低频分量被认为是噪声分量，因此将ω<0.06πrad/s的成分滤除：

其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述步骤五中根据频散关系，对步骤四获得的去除噪声后的三维海浪功率谱进行带通滤波，再次去除噪声，获得海浪相关三维海浪谱；具体过程为：

步骤五一、设海浪表面流速为根据线性波理论，有频散关系

其中h为水深，为雷达电磁波的波矢量；

步骤五二、不满足频散关系曲线的分量被认为是由其他因素产生的。但由于频率能量可能扩散到真实频率附近的点，因此根据公式七的频散关系曲线，滤波器带宽设为2δω，对整个雷达图像的角速度与波矢量坐标进行检索，其位置位于频散关系曲线±δω范围内则保留，否则进行滤除。对公式六中获得的海浪功率谱进行带通滤波，获得海浪相关三维海浪谱

其中ωa为图像某一位置根据公式七求得的角频率，ωa-1，ωa+1分别为该位置所在的方向上相邻两点的角频率；

其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：所述步骤六对滤波后的海浪相关三维海浪谱进行频率维度积分，获得二维海浪方向谱；具体过程为：

步骤六一、对公式八中获得的海浪相关三维海浪谱进行频率维度积分得到二维海浪波数谱

f⁽²⁾(kx,ky)＝2∫ω＞0f⁽³⁾(kx,ky,ω)dω(公式九)；

步骤六二、对得到的二维海浪波数谱进行坐标变换获得二维海浪方向谱

其它步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：所述步骤七根据二维海浪方向谱进一步计算获得海浪参数：海浪频谱、平均角频率、平均周期、峰值角频率、主波方向及有效波高；具体过程为：

根据公式十中获得的二维海浪方向谱s(ω,θ)，可获得海浪频谱

由公式十一获得的海浪频谱，通过简单的统计运算可分别获得平均角频率平均周期峰值角频率ωp、主波方向θp及有效波高hs

s(ωp)＝max(s(ω))

其中d(ω,θ)＝s(ω,θ)/s(ω)；m0为二维海浪方向谱能量。

其它步骤及参数与具体实施方式一至八之一相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：所述二维海浪方向谱能量m0为：

m0＝∫∫s(ω,θ)dωdθ(公式十三)。

其它步骤及参数与具体实施方式一至九之一相同。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：

实验中采用的数据来源于仿真：平均周期取秒，有效波高为hs＝3.5米，表层流速米/秒，水深h为无限深，主波方向θp＝0度。仿真选取的海面方位角的范围是方位上的间隔为0.15度，距离长度1600米，距离间隔5米。频率谱s(ω)选取p-m谱派生的ittc双参数谱如图2所示。

首先仿真获得64幅随时间变化的海浪径向速度场，图3为仿真的t＝0s时刻海浪径向速度场示意图。从图中可以看出距离雷达较近的区域信息量比较丰富，远离雷达区域0值占绝大部分，这是阴影调制的影响，与实际情况一致。

然后根据公式三由海面径向速度场重构出海面波高图。图4a为t＝0秒时刻重构海面波高场示意图，图4b为t＝0秒时刻原始海面波高场示意图。通过图4a、4b的比较可以看出，重构海面波高场保留了大量的纹理信息，与原始波高场具有一致性。

为了进一步比较重构效果，分别选取三个随机角度的随距离变化的原始波高与重构波高进行比较。图5a、5b、5c为随机方向的重构波高与原始波高比较图。在随机方向上，可以直观的观察到重构波高与原始波高的拟合效果很好，且在距离雷达1000米范围内相关系数均达到0.9以上。这证明了本发明利用重构海面波高场替代原始海面波高场的可行性。

最后截取具有良好重构效果的范围为{(x,y)|500＜x＜1000,-500＜y＜500}的矩形区域做后续处理。64幅重构海面波高场子图像用来提取海浪参数，验证本发明的有益效果。图6为传统算法与改进算法获得海浪频谱的比较图。如图6所示，本发明提出的改进算法所获得的海浪频谱比传统算法获得的海浪频普更接近原始曲线。与此同时获得的海浪参数包括平均角频率为0.84弧度/米，偏差0.06弧度/米；平均周期7.51秒，偏差0.51秒；峰值角频率0.74弧度/秒，偏差0.05；主波方向-3.46度，偏差3.46度；有效波高3.38米，偏差0.12米。因此可以证明，本发明提出的基于海用相参雷达测量海浪参数的三维傅里叶变换算法具有可行性，且可以获得高精度海浪参数。

实施例二：

海浪参数估计值比较如表1；

表1：海浪参数估计值比较

本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。