一种基于相参x波段雷达图像的海浪破碎率提取方法
【专利摘要】一种基于相参X波段雷达图像的海浪破碎率提取方法，包括获取相参X波段雷达复图像；在时间域求复图像的复相关函数；基于该复相关函数求解上述雷达复图像的相位差，并得到相位差图像；对相位差图像进行Radon变换，得到海浪相速度；对复相关函数进行短时FFT变换，得到该复相关函数的短时Doppler频谱；基于上述短时Doppler频谱计算海浪的轨道速度；进而获取整个测量海域的海浪破碎率。本发明显著降低了海浪破碎率提取过程中的计算量，提高了速度；其相参X波段雷达不受复杂海洋环境条件的限制；且相参X波段雷达有效作用距离远大于照相机，获取的海浪破碎率更能反映真实的统计特征。
【专利说明】一种基于相参X波段雷达图像的海浪破碎率提取方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及相参X波段雷达的海洋应用领域，尤其涉及一种基于相参X波段雷达图像的海浪破碎率提取方法。
【背景技术】
[0002]海浪破碎是广袤海洋中海浪所发生的一种重要的海洋现象。海浪破碎是海浪能量衰减的一种主要物理机制，同时，海浪破碎还显著加强了海洋-大气之间的动量、能量及气体的交换；另外，海浪破碎时因其水质点速度较大，因而对海上或海岸工程的破坏力大，故该现象在海洋工程领域也备受关注。海浪破碎率则是描述海浪破碎这一重要海域现象的基本统计特征参数。海浪破碎率是计算海浪破碎强度、破碎历经时间、海中气泡分布等统计参量的基本参数，因而海浪破碎率不但在海洋工程中备受关注，而其还具有重要的物理意义和科学价值。
[0003]由于海浪破碎现象涉及海洋动力学、热力学及表面科学，另外，海浪破碎的非线性特征及时间上的间歇性进一步致使海浪破碎过程更为复杂。因而，目前有关海浪破碎现象的研究仍然是立足于现场观测的基础上进行的。目前的通过照相机拍摄海面获得海浪破碎率的方法主要存在的问题包括:其一，拍摄的海面面积较小；其二，照相机仰角致使照片上近景和远景端空间比例不均匀，从而在造成较大误差；其三，当风浪较大时，应用照相机拍摄获取海浪破碎率的方法也会受到平台的限制；另外，照相机在夜间工作时效果不佳。
[0004]相参X波段雷达是一种可以安装在海岸、舰船及海中平台上的一种主动微波探测器。相参X波段雷达发射的微波信号经海面散射后再被雷达天线所接收，通过该海面回波信号的强度和相位即可以获取海面波浪信息。由于微波能有效穿透雾、雨滴且不受光照影响，因而，即使在黑夜和恶劣天气条件下仍然可以工作，另外，与照相机相比，相参X波段雷达的有效观测距离超过4海里，因而能够实现大面积海域破碎海浪的观测，获得更为准确的海浪破碎率。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种基于相参X波段雷达图像的海浪破碎率提取方法，能在复杂海洋环境条件下，能够实现大面积海域破碎海浪的观测，获得准确的海浪破碎率，以克服现有技术的不足。
[0006]一种基于相参X波段雷达图像的海浪破碎率提取方法，包括:
[0007]I)获取待测量海域的相参X波段雷达复图像；
[0008]将相参X波段雷达设置在船上或海岸上，通过向海面发射相参雷达脉冲，获取天线波束固定指向的时间域雷达复图像，或者获取天线波束扫描模式下的海面扇形回波雷达复图像；
[0009]其特征在于还包括以下步骤:
[0010]2)在时间域求上述X波段雷达复图像的复相关函数；
[0011]3)基于该复相关函数求解上述雷达复图像的相位差，并得到相位差图像；
[0012]4)对相位差图像进行Radon变换，得到海浪相速度；
[0013]5)对复相关函数进行短时FFT变换，得到该复相关函数的短时Doppler频谱；
[0014]6)基于上述短时Doppler频谱计算海浪的轨道速度，并获得待测量海域每个分辨单元的海浪最大轨道速度；
[0015]7)结合步骤4的海浪相速度、步骤6的海浪最大轨道速度和海浪破碎的运动学判据——当轨道速度大于相速度时即该分辨单元的海浪破碎，从而获取整个测量海域的海浪破碎率。
[0016]所述步骤2)中，X波段雷达复图像的复相关函数为:
[0017]R ( τ ) = E [S (r, t+ τ ) S* (r, t)]；
[0018]其中，S(r，t)和S(r，t+ τ )分别表示为相参X波段雷达在t和t+ τ时刻获取的海面固定分辨单元r处的复后向散射场，τ为雷达采样时间间隔，符号O表示为对复散射场取共轭；
[0019]所述步骤3)中，雷达复图像的相位差定义为:
【权利要求】
1.一种基于相参X波段雷达图像的海浪破碎率提取方法，包括: 1)获取待测量海域的相参X波段雷达复图像； 将相参X波段雷达设置在船上或海岸上，通过向海面发射相参雷达脉冲，获取天线波束固定指向的时间域雷达复图像，或者获取天线波束扫描模式下的海面扇形回波雷达复图像； 其特征在于还包括以下步骤: 2)在时间域求上述X波段雷达复图像的复相关函数； 3)基于该复相关函数求解上述雷达复图像的相位差，并得到相位差图像； 4)对相位差图像进行Radon变换，得到海浪相速度； 5)对复相关函数进行短时FFT变换,得到该复相关函数的短时Doppler频谱； 6)基于上述短时Doppler频谱计算海浪的轨道速度，并获得待测量海域每个分辨单元的海浪最大轨道速度； 7)结合步骤4的海浪相速度、步骤6的海浪最大轨道速度和海浪破碎的运动学判据——当轨道速度大于相速度时即该分辨单元的海浪破碎，从而获取整个测量海域的海浪破碎率。
2.如权利要求1所述的基于相参X波段雷达图像的海浪破碎率提取方法，其特征在于 所述步骤2)中，X波段雷达复图像的复相关函数为:
R(t) = E[S(r, t+ τ )S*(r, t)]； 其中，S(r, t)和S(r，t+T)分别表示为相参X波段雷达在t和t+τ时刻获取的海面固定分辨单元r处的复后向散射场，τ为雷达采样时间间隔，符号O表示为对复散射场取共轭； 所述步骤3)中，雷达复图像的相位差定义为:
Im[/?(r)].φ - arc Ian^-* ；
Rc[/?(r)] 其中，符号ImO和ReO分别表示取复数的虚部和实部。
3.如权利要求1所述的基于相参X波段雷达图像的海浪破碎率提取方法，其特征在于 所述步骤4)中，所述Radon变换函数Ω ( θ，p )为:Ω(θ,ρ) = Jf φ{ι\?)δ{ρ -1 cos 6* -r sin θ)?ν?.?，
D 其中，D为大小为乂和队窗口，δ为狄拉克函数，P为(r，t)平面直线到原点距离，Θ为原点到直线的垂线与t轴的夹角； 经Radon变换得到的海浪相速度为:
Ar _ Νκγ LJ —-—-，
ΔΓ Ttan(^imx) 其中，AT时间间隔，Ar为该时间间隔内海浪传播距离，Nk和Nt分别为Radon变换所选子窗口在距离和时间两个维度方向上窗口的大小，Y为相参雷达距离分辨率，θ_表示Radon变换函数Ω ( Θ，P )的极大值点所对应的极角Θ。
4.如权利要求1所述的基于相参X波段雷达图像的海浪破碎率提取方法，其特征在于所述步骤5)中，经短时FFT变换得到的短时Doppler频谱为:
其中，R(T)是时间区间[t_AT2, t+AT2]内数据时间序列的负相关函数，f为多普勒频率； 所述步骤6)中，海浪的轨道速度为:
其中，λ为雷达波波长，
为Bragg多普勒频移，g为重力加速度常数，Θ i是雷达入射角度。
5.如权利要求1所述的基于相参X波段雷达图像的海浪破碎率提取方法，其特征在于 所述步骤7)中，海浪破碎的运动学判据为: V> U，即当轨道速度大于相速度时该分辨单元海浪破碎，从而获取该测量海域的海浪破碎率。
【文档编号】G01S13/88GK104133208SQ201410316944
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年7月4日 优先权日:2014年7月4日
【发明者】王运华, 李慧敏, 张彦敏 申请人:中国海洋大学