一种基于相对辐射校正的导航雷达图像反演海面风向方法
【专利摘要】本发明的目的在于提供一种基于相对辐射校正的导航雷达图像反演海面风向方法，包含导航雷达图像序列采集、导航雷达图像预处理、导航雷达图像相对辐射较正和海面风向反演四个部分。本发明在应用风条纹反演风向中增添导航雷达图像相对辐射校正环节，有效消除了导航雷达回波强度径向衰减对风向反演造成的影响。导航雷达图像相对辐射校正采用一种自适应拉格朗日最小二乘分段拟合校正法，既保证校正后不会破坏海杂波图像特征，又提高了工程的适用性。
【专利说明】一种基于相对辐射校正的导航雷达图像反演海面风向方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及的是一种反演海面风向方法。
【背景技术】
[0002] 海面风场信息是海洋动力学重要参数，是海洋与大气能量和气体交换的主要驱动 力。因此，了解和掌握海面风场信息对渔业、海运及气象监测都有深远的意义。现有海面风 向信息获取方法主要分成两类：站点式现场测量和遥感测量。导航雷达是遥感测量手段的 一种，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 为现阶段提取海面风向信息的热门课题。
[0003] 现阶段国内外应用导航雷达图像测量海面风向，主要方法为基于海面风速分布不 均匀导致的导航雷达图像中呈现出的风条纹来计算的。风条纹存在尺度200?500m，频率 接近静态或准静态，风条纹方向与风向平行等特征。目前，应用风条纹特征反演海面风向的 方法主要有以下几种：2003年Dankert等人提出局部梯度法，2004年由Dankert等人提出 的光流法。2010年中国海洋大学段华敏使用和Dankert2004年相同的方法提取出了海表面 风场信息。2012年哈尔滨工程大学的贾瑞才博士和2013年中国海洋大学的硕士生李金凤 都对Dankert2004年的方法进行了改进，提高了风向反演精度。以上方法虽都已提取出海 面风向信息，但应用以上方法都没有考虑导航雷达回波强度径向衰减对风向提取造成的影 响。
[0004] 导航雷达径向回波强度存在非线性衰减的特征会影响风条纹的分布特征，实测导 航雷达一条线上径向回波强度分布如图12。Maurice W. Long指出在均匀粗糙海面的回波 强度在近距离和远距离分别正比于R-3和R-7。在近区时，充满天线波束照射海面区域内的 回波强度服从R-3的关系；在远区时，由于入射角减少，出现海浪反射的双路径效应，造成 回波强度与探测距离成R-7的关系；因此，理论分析和实验都证明了导航雷达径向回波强 度存在非线性衰减的特征。通过实验还发现径向衰减特征是由100?500m不同波长的波 组成，而风条纹的尺度为200?500m，并且两者都属于静态信号，两种特征相近的信号是无 法分离的，因此，导航雷达图像径向衰减特征会影响风条纹的分布特征，从而降低风向信息 提取的精度。
[0005] 现有导航雷达图像相对辐射校正方法分为两大类：非线性校正法和线性回归法。 非线性校正法主要有直方图匹配法，此方法是对需要校正图像和参考图像作直方图均衡 化，然后用参考图像的直方图均衡化去匹配需要校正图形的。此方法需要存在参考图像，匹 配过程中图像的特征信号会被淹没。
[0006] 线性回归校正是通过对样本点建立线性模型来进行图像校正的，具有精度高、速 度快和易于工程实现等优点。
[0007] 传统线性回归法主要分为三步实现，第一步选取适当样本点，第二步应用样本点 确定线性方程回归参数建立线性拟合方程，第三步根据线性拟合方程，对图像进行相对辐 射校正。第一步样本点选取，现在主要有图像回归法（IR)、伪不变特征法（PIF)、暗级-亮 级法和未变化级辐射归一法（NC)。第二步确定线性拟合方程现阶段有两种方法，第一种是 建立二阶最小二乘多项式，第二种为求取多幅导航雷达图像均值。结合导航雷达径向回波 具有非线性衰减特征，和风条纹静态特征，发现第二步现有的两种方法都不适用。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的在于提供提高数据拟合速度，简化拟合方程的复杂度，且不会破坏 海杂波图像的一种基于相对辐射校正的导航雷达图像反演海面风向方法。
[0009] 本发明的目的是这样实现的：
[0010] 本发明一种基于相对辐射校正的导航雷达图像反演海面风向方法，其特征是：
[0011] (1)导航雷达图像序列采集：采集连续N幅导航雷达图像，将其定义为一组导航雷 达图像序列，并收集对应时间和位置的实际风向与风速值；
[0012] (2)导航雷达图像预处理：对导航雷达图像序列极坐标图像进行归一化，使导航 雷达图像序列中的每幅导航雷达图像的线数固定，再对单幅导航雷达图像通过观测去除遮 挡区域的影响，只保留海杂波图像区域，应用图像中值滤波抑制同频信号对导航雷达图像 的干扰；
[0013] (3)导航雷达图像相对辐射校正：对步骤（2)处理得到的导航雷达图像的回波强 度值按方位向进行平均，得到关于距离的回波强度均值，对导航雷达图像径向回波强度进 行相对辐射校正，得到相对辐射校正图像序列；
[0014] ⑷海面风向反演：对相对辐射校正图像序列首先利用低通滤波器得到海面静态 特征图像，然后基于波数能量谱尺度分离方法得到风条纹能量谱，最终获得海面风向。
[0015] 本发明还可以包括：
[0016] 1、导航雷达图像相对辐射校正的具体步骤为：
[0017] (1)对导航雷达图像沿方位向进行平均，令导航雷达图像回波强度值为 。（9p，r q)，其中θρ(ρ = 1，2,…P)为方位向角度，共P个，rq(q= 1，2,…Q)为径向距离， 共Q个，生成一维径向平均回波强度值y :
[0018]
【权利要求】
1. 一种基于相对辐射校正的导航雷达图像反演海面风向方法，其特征是： (1) 导航雷达图像序列采集：采集连续N幅导航雷达图像，将其定义为一组导航雷达图 像序列，并收集对应时间和位置的实际风向与风速值； (2) 导航雷达图像预处理：对导航雷达图像序列极坐标图像进行归一化，使导航雷达 图像序列中的每幅导航雷达图像的线数固定，再对单幅导航雷达图像通过观测去除遮挡区 域的影响，只保留海杂波图像区域，应用图像中值滤波抑制同频信号对导航雷达图像的干 扰； (3) 导航雷达图像相对辐射校正：对步骤（2)处理得到的导航雷达图像的回波强度值 按方位向进行平均，得到关于距离的回波强度均值，对导航雷达图像径向回波强度进行相 对辐射校正，得到相对辐射校正图像序列； (4) 海面风向反演：对相对辐射校正图像序列首先利用低通滤波器得到海面静态特征 图像，然后基于波数能量谱尺度分离方法得到风条纹能量谱，最终获得海面风向。
2. 根据权利要求1所述的一种基于相对辐射校正的导航雷达图像反演海面风向方法， 其特征是：导航雷达图像相对辐射校正的具体步骤为： (1)对导航雷达图像沿方位向进行平均，令导航雷达图像回波强度值为σ (0p，rq)，其 中θρ(ρ = 1，2,…P)为方位向角度，共P个，rq(q= 1，2,…Q)为径向距离，共Q个，生成一 维径向平均回波强度值y:
径向距离r,定义为X，则X和y形成的数据集为
数据点总数为η ; ⑵选取X中间位置将η分成两段数据，个数分别为ηι和η2，若Κ为间断点数，则Κ =1，生成两个数据集进行分段拟合； ⑶假设数据共有Κ个间断点，则形成Κ+1个数据集，即
nk为第k个数据集的点数，Α^ , xk是数据集Ω，Ρ Qk+1的分段点； (4)拟合函数f(x)的形式如下：
式中= fk(xk)，
是数据集〇,的基函数，基函数选 为1, X, x2 ;m为基函数的个数，即m = 3 ;
为待确定回归系数；为 了使拟合误差达到最小且在xk处连续，建立最小二乘回归模型如下：
令基函数h(x) = [1 x x2]，拟合参数行向量分别为：
k = 1，2,…K+1 ;则多段数据集拟合参数可以表示为： f
则最小二乘回归模型的二次范数形式为：
对上式建立拉格朗日函数为：
其中λ为列向量约束参数，即λ = [λ^ λ2，…，λκ]τ，由多元函数极值必要条件， 得到：
由上式可得：
可解 得：
将
式带入
获得最小二乘回归系数α的解，根据 导航雷达回波机制数据集Ω,可以保证式
中的
是非退化的，Ζ是非 零的，因此，α的解是唯一的，从而获得有多段拟合函数f(x); (5) 计算两个数据集绝对值误差均值Sk，k= 1，2…K+1，每点的绝对值误差ei，i = 1，2,…n，若ei>Sk&ei+1>S k&ei+2>Sk，则在ei的处位置再次分段，执行步骤（6);其他情况或分 段内点数少于十个，则不分段，执行步骤（7); (6) 在分段点处对数据再次进行分段，返回从步骤（3)开始重新拟合，K为分段点的数 量，再执行步骤（5)的判断；得到数据集最优分段函数拟合函数值； (7) 对导航雷达图像中每个0￡)的回波强度值。（0p，rq)按％分段的减去拟合函数 值，实现导航雷达图像相对辐射校正；校正遍历导航雷达图像序列的每幅图像，最终得到相 对辐射校正后图像序列f ( Θ，r，t)，Θ为方位向角度，r为径向距离，t为图像序列时间 轴。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于相对辐射校正的导航雷达图像反演海面风向方 法，其特征是：海面风向反演的具体步骤为： (1) 构建全局低通滤波器以获得包含风条纹特征的海面静态特征图像：
f(9，r)为海面静态特征图像，在笛卡尔坐标下可以表示为
和.νΛ.分 别为笛卡尔坐标下图像沿X和y轴的坐标，Νχ和Ny为坐标位置，Nt为时间序列； (2) 应用二维离散快速傅里叶变换将海面静态特征图像
变换到能量谱域， 即：
F (kx, ky)为 f (X，y)的傅 里叶系数，复指数项为：
其中，
(kx，ky)为/(-?^?)在能量谱T下的坐标，dx、dy为导航雷达图像分辨率；根据二维谱 性质得到的海面静态特征图像能量谱为A (kx，ky):
(3) 基于尺度分离获得风条纹能量谱：导航雷达图像呈现的海面条纹波长L与能量谱 波数k的关系式为：
其中，
（kx，ky)为能量谱域T的坐标，即k x和ky为k在X和y轴的波数 分量； 设~为风条纹波长尺度下限，Lt为风条纹波长尺度上限，根据
得到风条纹能量谱 波数下限为kd :
风条纹能量谱波数上限为kt :
根据风条纹能量谱波数上下限设计能量谱带通滤波器，将风条纹信号能量谱提取出 来，数学模型为：
I (kx, ky)为风条纹能量谱； (4) 海面风向提取：根据傅里叶变换具有周期性，得到的风条纹能量谱I(kx，ky)关于 一三或二四象限镜像对称，取对称的两个能量集中区域，连线的垂直方向则为风条纹平行 方向，得到海面风向；将计算出来的方向与风向标测得的风向所在象限比较，保留与其象限 一致的方向去除180°模糊的方向； 对计算的风向进行校正后，得到相对正北方向的海面风向，校正公式为： Nw = I Θ c I +1 α I +1 β 其中，Nw为相对正北向的风向；Θ。为选取区域的中心角；β为笛卡尔坐标下计算得到 的风向；α为船艏向。
4.根据权利要求3所述的一种基于相对辐射校正的导航雷达图像反演海面风向方法， 其特征是：风条纹波长尺度下限Ld为200m，风条纹波长尺度上限Lt为500m。
【文档编号】G06T7/00GK104156629SQ201410448618
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年9月4日 优先权日:2014年9月4日
【发明者】卢志忠, 王慧, 黄玉, 吕杰, 邱海洋, 戴运桃 申请人:哈尔滨工程大学