专利名称：海面波面还原方法
技术领域：
本发明涉及海洋环境监测技术领域，尤其涉及一种海面波面还原方法。
背景技术：
海洋在人类的文明发展历史中起着极其重要的作用，是全球生命支持系统的一个 基本组成部分。海洋环境与人类的关系非常密切，因此海洋环境的检测尤为重要。目前对 海洋环境的检测大多利用的是海面波面还原技术。 现有的一种海面波面还原技术利用单极化SAR(Synthetic Aperture Radar，合成 孔径雷达)图像反演成像海面的海浪谱，并通过反演的海浪谱来还原海面波面。然而，所述 反演技术依赖于第一猜测谱，即，所述反演的过程需要第一猜测普作为已知条件输入，并且 反演的结果受到所述第一猜测谱精度的限制。 为了真实精确的还原海面波面，摆脱所述第一猜测谱的限制，现有的另一种海面 波面还原技术利用SAR图像反演成像海面的海浪谱，并利用积分的方法提取海浪参数(如 有效波高、波长、波数等参数)。现有的再一种海面波面还原技术利用SAR图像并通过倾斜 调制机制和极化方向调制机制反演多极化海浪谱和有效波高。然而，上述两种方法均反演 的是频率域的二维的海浪谱并且获得的是代表大范围海浪的特征参数的有效波高，因此所 述方法都不能反演时域海面具体的某个像素点的相对波高，还原的海面是二维场景，不能 反映出海面的真实情况。 因此，有必要提供一种改进的海面波面还原方法来克服现有技术的缺陷。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种海面波面还原方法，所述方法能反演海面具体 像素点的相对波高，还原出海面波面的三维场景，反映海面的真实情况。 为此，本发明实施例提出一种海面波面还原方法，包括如下步骤(l)选取反演对 象区域，获取所述对象区域的HH极化图像和VV极化图像；(2)基于多极化倾斜调制算法， 根据所述HH极化图像和所述VV极化图像的参数反演对应各个像素点的方位向斜率；(3) 利用海面风反演地球物理函数校正所述HH极化图像和所述VV极化图像的距离向斜率；(4) 根据所述方位向斜率和所述距离向斜率反演各个像素点的相对波高；(5)根据所述相对波 高还原三维海面波面。 在本发明中，所述反演对象区域的面积小于海风测量快速散射仪卫星风矢量的分辨率。 优选地，所述海面风反演地球物理函数为第五代经验模型CM0D5。
在本发明的一个实施例中，所述步骤(1)后还包括根据所述HH极化图像和所述 VV极化图像的参数获得各个像素点的雷达后向散射截面，则，所述步骤(3)具体为(31)获 取对象区域的浮标资料风向信息；(32)利用第五代经验模型CM0D5校正所述HH极化图像 和所述VV极化图像的平均风速；(33)根据所述方位向斜率、所述各个像素点的雷达后向散射截面、所述浮标资料风向信息以及所述平均风速校正各个像素点对应的距离向斜率。
在本发明的另一实施例中，所述步骤(31)具体为通过海风测量快速散射仪卫星 风产品获取对象区域的浮标资料风向信息，或通过美国国家浮标数据中心的浮标资料获取 对象区域的风向信息。 在本发明的再一实施例中，所述步骤(32)具体为(321)将第五代经验模型CM0D5 中的入射角校正为受方位向斜率和距离向斜率扰动的局部入射角；(322)获得对象区域的 平均雷达后向散射截面，并根据所述浮标资料风向信息、所述对象区域的平均雷达后向散 射截面、以及所述局部入射角校正所述对象区域的平均风速。 较佳地，所述步骤(321)中第五代经验模型CM0D5中的入射角根据下述公式校正
为受方位向斜率和距离向斜率扰动的局部入射角
j,sin^tany+ cos0
C— = / 2 2
■y/1 + tan w + tan y 其中，小为入射角，小'为校正后的局部入射角，tanY为距离向斜率。tan"为 方位向斜率。 在本发明的又一实施例中，所述步骤(1)后还包括根据所述HH极化图像和所述 VV极化图像的参数获得方位向对应的分辨率和距离向对应的分辨率，则，所述步骤(4)具 体为(41)根据所述方位向对应的分辨率、所述距离向对应的分辨率、所述方位向斜率以 及所述距离向斜率，反演所述对象区域各个像素点的波高；(42)根据所述对象区域各个像 素点的波高反演所述对象区域的最大波高差；(43)根据所述对象区域各个像素点的波高 和最大波高差反演所述相对波高。 与现有技术相比，本发明海面波面还原方法通过多极化倾斜调制算法和海面风反 演地球物理函数来根据对象区域的HH极化图像和VV极化图像获取方位向和距离向斜率， 从而反演出海面具体像素点的相对波高，进而还原出海面波面的三维场景，能反映海面的 真实情况。 通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明 的实施例。
图1为本发明海面波面还原方法的流程图。 图2a为图1所示方法中的对象区域的HH极化图像。 图2b为图1所示方法中的对象区域的VV极化图像，所述VV极化图像与图2a所 示HH极化图像的位置相同，时间相同。 图3为根据图1所示方法还原的海面场景示意图。
具体实施例方式
现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。本 实施例海面波面还原方法通过多极化倾斜调制算法和海面风反演地球物理函数来根据对 象区域的HH极化图像和VV极化图像获取方位向和距离向斜率，从而反演出海面具体像素 点的相对波高，进而还原出海面波面的三维场景，能反映海面的真实情况。下面将详细阐
5述。 图1为本实施例海面波面还原方法的流程图。如图所示，所述海面波面还原方法 包括如下步骤 步骤Sll，选取反演对象区域，获取所述对象区域的HH极化图像和VV极化图像 (见图2a和图2b)。本实施例海面波面还原方法选取浮标所在位置的周围区域为反演对象 区域，所述周围区域为以浮标所在位置的经纬度为中心的方形(如512像素X512像素) 区域。所述反演对象区域的面积不超过海风测量快速散射仪卫星(QuikScat)风矢量的分 辨率(25KmX25Km)。 基于所述HH极化图像和所述VV极化图像，获取入射角数字校正值(beta)值、归 一化雷达截面校正值(sigma)值、信号强度(DN)值、归一化雷达截面补偿(offset)值、极 化角V，方位向对应的分辨率Ax，以及距离向对应的分辨率Ay。则，对应各个像素点的入射角^ = arcsin 6加2
、俯Wfl 乂 对于单式复图像(SLC)，每个像素的NRCS = 101g((DN) '2/(sigm) ~2); 对于其他图像，每个像素的NRCS = 101g(((DN) ~2+offset) / (sigm) ~2)， 另外，基于所述HH极化图像，获得所述HH极化图像的NRCS (雷达后向散射截面，
Normalized Radar Cross Section)平均值o他，以及对应各个像素点的NRCS与所述HH极
化图像的NRCS平均值。tt的差值A 。 ^ ;基于所述VV极化图像，获得所述VV极化图像的
NRCS平均值。vv，以及对应各个像素点的NRCS与所述VV极化图像的NRCS平均值。vv的差
值△ o vv。 步骤S12，基于多极化倾斜调制算法，根据所述HH极化图像和所述VV极化图像的 参数反演对应各个像素点的方位向斜率tan"。
其中，多极化倾斜调制算法与方位向斜率的关系式为 △crvv Ao^ 8t— %
5M 1 + tan2 -其中，^为方位向斜率tan"(注距离向斜率记为tan7-lf)。 步骤S13，获取对象区域的浮标资料风向信息e。在所述步骤中，所述获取的方
式可以通过以下两种途径实现一是通过网上下载QuikScat风产品，读取相应的风向信息
9 ;二是在美国国家浮标数据中心(NDBC)下载相应的浮标资料，读取对应的风向信息9 。 需要提出的是，本步骤整个反演对象区域内的风向是不变的。这个假设在实际应
用中是成立的，并且能保证了每个像素针对统一参考NRCS，从而获得准确的相对高度。 步骤S14，将CM0D5函数中的入射角小演化成受方位向斜率和距离向斜率扰动的
局部入射角小'。 其中演化公式为
sin0tan/ + cos0
c— = / 2 2
VI + tan ty + tan y 这样，在利用CM0D5函数进行方位向斜率和距离向斜率反演时，用局部入射角 小'代替入射角小。
6
步骤S15，获得对象区域的平均NRCS，并根据对象区域的平均NRCS、步骤S13中的 浮标资料风向信息、以及步骤S14中的局部入射角小'反演所述对象区域的平均风速。
其中，所述对象区域的平均NRCS为整个感兴趣区域内所有像素点的NRCS的平均 从本步骤得知，由于方位向斜率和距离向斜率会影响风速，本实施例中通过对风 速影响的校正，使每个像素的NRCS与整个感兴趣区域的平均NRCS相等。
步骤S16，根据步骤S12中的方位向斜率tan"、步骤S11中各个像素点的NRCS、步 骤S13中的浮标资料风向信息以及步骤S15中的平均风速反演各个像素点对应的距离向斜 率tan Y 。 目前国际通用的CM0D5模型为
1.6
(3)d叫=50(1 + A COS ^ +爲cos 2y)
其中，o 。(m)为利用CM0D5GMF(Geophysical Model Function,地球物理模式函数) 计算的每个分辨单元的NRCS。
50=10。 ,C
R — c14 (1 + x) _ (0.5 + x — tanh[4(x + c16 + c17f/)])
1 + e0.34(C/-c,8) V2 =
ai = C5+C6X， S0 — C12+C13X，
O0)agO0)
a = s0(l_g(s0))， g(s) = l〃l+e—s)，
K = Cg+d!oX+duX ，
a + 6(r— l)"
r、
时取"
(小'
(m)
"0
a Jo-(r0-1) a:
1
" "0b-l广
V0 — C21+C22X+C23X ， A — C24+C25X+C26X ，
U为步骤5中的海面上10m处的平均风速，^ = <9-(90Ta)(当卫星平台升轨飞行 -"号，降轨飞行时取"+"号，航迹角a为SAR平台轨迹方向与正北方向的夹角)。
利用式(3)给出的CM0D5模型，将每 一 个像素点的距离向斜率角x = -40)/25从-30度到+30度演算，从而反演出与该角度对应的该像素点的NRCS值 o。w。把所述反演的NRCS值o。(m)中与根据图像信息计算得到的每个像素的NRCS值相比
7较，最接近所述每个像素的NRCS值的NRCS值。。(m)对应的那个角度为距离向角，所述距离 向角对应的距离向斜率即为反演得到的距离向斜率。 步骤S17，根据步骤Sll中的方位向对应的分辨率Ax、距离向对应的分辨率Ay、 步骤S12中的方位向斜率tan"、以及步骤S16中的距离向斜率tan y ，反演各个像素点的 相对波高。所述步骤S17具体为 预设h(l，l)为常非零数值 计算整个区域内每一点的波高/</,力=[h(/-， 'Ax]
=師,/-1)+孚-Ay], 其中(i， j)表示像素在图像中的相对位置， 最大波高差Ah = hmax_hmin， 相对波高h'(i， j) =h(i， j)/Ah， 步骤S18，根据所述各个像素点的相对波高，还原真实海面场景。如图3还原的是
大小为512X512像素点(选取从第一行第一列为起始位置)的海面。 需要说明的是，本实施例也可以采用除第五代经验模型CM0D5之外的其他海面风
反演地球物理函数，例如第四代经验模型CM0D4等。利用第四代经验模型CM0D4进行海面
波面还原的方法与上述利用第五代经验模型CM0D5进行海面波面还原的方法类似，在此不
再赘述。 以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为 本发明的保护范围。
权利要求
一种海面波面还原方法，包括如下步骤(1)选取反演对象区域，获取所述对象区域的HH极化图像和VV极化图像；(2)基于多极化倾斜调制算法，根据所述HH极化图像和所述VV极化图像的参数反演对应各个像素点的方位向斜率；(3)利用海面风反演地球物理函数校正所述HH极化图像和所述VV极化图像的距离向斜率；(4)根据所述方位向斜率和所述距离向斜率反演各个像素点的相对波高；以及(5)根据所述相对波高还原三维海面波面。
2. 如权利要求1所述的海面波面还原方法，其特征在于，所述反演对象区域的面积小 于海风测量快速散射仪卫星风矢量的分辨率。
3. 如权利要求1所述的海面波面还原方法，其特征在于，所述海面风反演地球物理函 数为第五代经验模型cm0d5。
4. 如权利要求3所述的海面波面还原方法，其特征在于，所述步骤(1)后还包括 根据所述hh极化图像和所述vv极化图像的参数获得各个像素点的雷达后向散射截面，贝U，所述步骤(3)具体为(31) 获取对象区域的浮标资料风向信息；(32) 利用第五代经验模型cm0d5校正所述hh极化图像和所述vv极化图像的平均风 速；以及(33) 根据所述方位向斜率、所述各个像素点的雷达后向散射截面、所述浮标资料风向 信息以及所述平均风速校正各个像素点对应的距离向斜率。
5. 如权利要求4所述的海面波面还原方法，其特征在于，所述步骤(31)具体为 通过海风测量快速散射仪卫星风产品获取对象区域的浮标资料风向信息，或 通过美国国家浮标数据中心的浮标资料获取对象区域的风向信息。
6. 如权利要求4所述的海面波面还原方法，其特征在于，所述步骤(32)具体为(321) 将第五代经验模型cm0d5中的入射角校正为受方位向斜率和距离向斜率扰动的 局部入射角；(322) 获得对象区域的平均雷达后向散射截面，并根据所述浮标资料风向信息、所述对 象区域的平均雷达后向散射截面、以及所述局部入射角校正所述对象区域的平均风速。
7. 如权利要求6所述的海面波面还原方法，其特征在于，所述步骤(321)中第五代经验 模型cm0d5中的入射角根据下述公式校正为受方位向斜率和距离向斜率扰动的局部入射 角<formula>formula see original document page 2</formula>其中，小为入射角，小'为校正后的局部入射角，tanY为距离向斜率。tan"为方位 向斜率。
8. 如权利要求1所述的海面波面还原方法，其特征在于，所述步骤(1)后还包括 根据所述hh极化图像和所述vv极化图像的参数获得方位向对应的分辨率和距离向对应的分辨率，贝U，所述步骤(4)具体为(41) 根据所述方位向对应的分辨率、所述距离向对应的分辨率、所述方位向斜率以及 所述距离向斜率，反演所述对象区域各个像素点的波高；(42) 根据所述对象区域各个像素点的波高反演所述对象区域的最大波高差；以及(43) 根据所述对象区域各个像素点的波高和最大波高差反演所述相对波高。
全文摘要
本发明公开了一种海面波面还原方法，包括如下步骤(1)选取反演对象区域，获取所述对象区域的HH极化图像和VV极化图像；(2)基于多极化倾斜调制算法，根据所述HH极化图像和所述VV极化图像的参数反演对应各个像素点的方位向斜率；(3)利用海面风反演地球物理函数校正所述HH极化图像和所述VV极化图像的距离向斜率；(4)根据所述方位向斜率和所述距离向斜率反演各个像素点的相对波高；(5)根据所述相对波高还原三维海面波面。本发明海面波面还原方法能反演海面具体像素点的相对波高，还原出海面波面的三维场景，反映海面的真实情况。
文档编号G01S13/00GK101697009SQ20091027255
公开日2010年4月21日 申请日期2009年10月27日 优先权日2009年10月27日
发明者旷海兰, 谢涛, 陈伟 申请人:武汉理工大学;