一种天地波雷达海洋回波电离层相位污染的校正方法

1.本发明属于遥感信号处理领域，具体涉及一种天地波雷达海洋回波电离层相位污染的校正方法。


背景技术：

2.高频天地波雷达(hfhssw)发射的天波经过电离层的一次反射照射到海面上，经海面和目标的散射后被岸基或者船载的接收天线接收，从而实现超视距探测。无论是目标的探测还是海洋动力学参数的反演，电离层相位污染始终是提升遥感精度的主要障碍，尽管高频天地波雷达只经过一次电离层反射。从物理的角度进行电离层去污染只能在可获得高时空分辨率和高精度的电子密度数据的前提下实现，但是以现在的技术手段和数据来源，并不具备获得可靠的电子密度数据的条件。因此，目前电离层去污染算法主要是基于信号处理的手段，例如相位梯度法、最大熵谱分析法、奇异值分解法、s变换法等。对于目标探测来说，一阶海杂波本身就是污染的一部分，所以针对目标探测的去污染算法更多是以一阶海杂波为基础处理的。但对于海洋动力学参数的反演，一阶海杂波是海洋动力学参数反演的重要成分，直接以一阶海杂波为基础提取电离层相位污染难免会消除部分海洋动力学参数的信息，这对反演海洋动力学参数非常不利；
3.高频天地波雷达可同时接收到海洋回波和直达波，且两个信号的反射点距离较近。f2层是高频天地波雷达的主要反射层，且f2层的电子密度在水平方向上几千公里、垂直方向上几十公里的区域中具有相同的变化，因此，通过时频分析从直达波提取电离层相位污染似乎是两全其美的方法，即，不损失海洋回波的前提下提取电离层污染相位。相关学者提出过广义s变换的算法从直达波中提取电离层相位污染，但是广义s变换的计算量过大，导致计算速度很慢，因此实用性不强。


技术实现要素：

4.发明目的：为了克服现有技术中的不足，本发明提供一种天地波雷达海洋回波电离层相位污染的校正方法，本发明的方法以从天地波雷达回波数据中提取的直达波为基础，用复morlet小波构建的一系列小波函数系列对其连续小波分解，提取电离层对直达波造成的相位污染，进而对海洋回波进行校正解决天地波雷达海洋回波电离层相位污染的问题。
5.技术方案：第一方面本发明提供一种天地波雷达海洋回波电离层相位污染的校正方法包括：
6.接收天地波雷达，获得天地波雷达的回波谱和海洋回波信号；
7.从天地波雷达的回波谱中提取直达波信号；
8.将直达波信号导入小波函数系列进行小波分解，获得小波变换的系数矩阵；
9.根据小波变换的系数矩阵获得直达波的瞬时频率，并根据瞬时频率从直达波中计算出电离层相位污染；
10.根据电离层相位污染对海洋回波信号进行补偿，获得校正后去电离层相位污染后的海洋回波谱。
11.在进一步的实施例中，接收天地波雷达，获得天地波雷达的回波谱和海洋回波信号的方法为：利用带通滤波器提取天地波雷达的回波谱中包含的直达波和海洋回波，其中在提取直达波时选择在直达波能量最强位置左右两侧0.07hz的范围进行截取；
12.天地波雷达的回波谱采用逆傅里叶变换来计算直达波的时域信号，计算公式为：
13.dw(t)＝ifft[dw(f)]
[0014]
式中，ifft(
·
)表示逆傅里叶变换公式，dw(f)表示天地波雷达的回波谱。
[0015]
在进一步的实施例中，小波函数系列采用复morlet小波构建而成，将直达波信号导入小波函数系列进行小波分解，获得小波变换的系数矩阵的方法为：
[0016]
将角频率为π的复morlet小波定义为母小波；
[0017]
母小波经过伸缩和平移获得的小波函数系列；
[0018]
小波函数系列与直达波的时域信号做内积得到小波变换的系数矩阵；
[0019]
其中，定义母小波的计算公式为：
[0020][0021]
式中，ψ(t)表示复morlet母小波，exp(
·
)为指数运算，j表示虚数，t为时间。
[0022]
在进一步的实施例中，母小波经过伸缩和平移获得的小波函数系列的表达公式为：
[0023][0024]
式中，a为伸缩因子，τ为平移因子。
[0025]
在进一步的实施例中，小波函数系列与直达波的时域信号做内积得到小波变换的系数矩阵的表达式为：
[0026][0027]
式中，dt表示对时间进行积分，表示小波函数共轭。
[0028]
在进一步的实施例中，根据小波变换的系数矩阵获得直达波的瞬时频率，并根据瞬时频率从直达波中计算出电离层相位污染的方法为：
[0029]
将每一列中系数矩阵的上限值对应的频率定义为直达波的瞬时频率；
[0030]
将瞬时频率与时间相乘并做积分运算得到不同时间对应的电离层相位污染；
[0031]
其中，小波变换的系数矩阵中每一行代表不同的频率，每一列代表不同的时间；
[0032]
得到不同时间对应的电离层相位污染的计算公式为：
[0033][0034]
式中，为电离层相位污染，if(nt)为瞬时频率，t为采样时间间隔。
[0035]
在进一步的实施例中，根据电离层相位污染对海洋回波信号进行补偿，获得校正后去电离层相位污染后的海洋回波谱的方法为：
[0036]
用海洋回波信号除以电离层相位污染，获得去污染后的海洋回波信号；
[0037]
根据去污染后的海洋回波信号得到校正后去电离层相位污染后的海洋回波谱；
[0038]
其中，获得校正后去电离层相位污染后的海洋回波谱的计算表达式为：
[0039][0040]
式中，为去电离层相位污染后的海洋回波，s(nt)为被电离层污染的海洋回波，为电离层相位污染。
[0041]
有益效果：本发明与现有技术相比具有以下优点：
[0042]
(1)从天地波雷达回波数据中提取的直达波为基础，用复morlet小波构建的一系列小波函数系列对其连续小波分解，提取电离层对直达波造成的相位污染，进而对海洋回波进行校正解决天地波雷达海洋回波电离层相位污染的问题。
[0043]
(2)小波变换的算法可以应用在高频天地波雷达回波数据的实时处理速度较快，是是广义s变换的3倍多，具有实用意义。
附图说明
[0044]
图1是本发明天地波雷达海洋回波电离层相位污染校正方法的流程图；
[0045]
图2是本发明小波系数矩阵的实施例图；
[0046]
图3是本发明天地波雷达原始数据的回波谱实施例图；
[0047]
图4是本发明天地波雷达原始数据经过小波变换方法去电离层污染后的回波谱实施例图。
具体实施方式
[0048]
为了更充分理解本发明的技术内容，下面结合具体实施例对本发明的技术方案进一步介绍和说明，但不局限于此。
[0049]
实施例1：
[0050]
参考图1进一步说明本实施例中的一种天地波雷达海洋回波电离层相位污染的校正方法包括：
[0051]
接收天地波雷达，获得天地波雷达的回波谱和海洋回波信号；
[0052]
从天地波雷达的回波谱中提取直达波信号；
[0053]
将直达波信号导入小波函数系列进行小波分解，获得小波变换的系数矩阵；
[0054]
根据小波变换的系数矩阵获得直达波的瞬时频率，并根据瞬时频率从直达波中计算出电离层相位污染；
[0055]
根据电离层相位污染对海洋回波信号进行补偿，获得校正后去电离层相位污染后的海洋回波谱。
[0056]
优选的，接收天地波雷达，获得天地波雷达的回波谱和海洋回波信号的方法为：利用带通滤波器提取天地波雷达的回波谱中包含的直达波和海洋回波，其中在提取直达波时选择在直达波能量最强位置左右两侧0.07hz的范围进行截取；
[0057]
天地波雷达的回波谱采用逆傅里叶变换来计算直达波的时域信号，计算公式为：
[0058]
dw(t)＝ifft[dw(f)]
[0059]
式中，ifft(
·
)表示逆傅里叶变换公式，dw(f)表示天地波雷达的回波谱。
[0060]
优选的，小波函数系列采用复morlet小波构建而成，将直达波信号导入小波函数系列进行小波分解，获得小波变换的系数矩阵的方法为：
[0061]
将角频率为π的复morlet小波定义为母小波；
[0062]
母小波经过伸缩和平移获得的小波函数系列；
[0063]
小波函数系列与直达波的时域信号做内积得到小波变换的系数矩阵；
[0064]
其中，定义母小波的计算公式为：
[0065][0066]
式中，ψ(t)表示复morlet母小波，exp(
·
)为指数运算，j表示虚数，t为时间。
[0067]
母小波经过伸缩和平移获得的小波函数系列的表达公式为：
[0068][0069]
式中，a为伸缩因子，τ为平移因子。
[0070]
小波函数系列与直达波的时域信号做内积得到小波变换的系数矩阵的表达式为：
[0071][0072]
式中，dt表示对时间进行积分，表示小波函数共轭。
[0073]
根据小波变换的系数矩阵获得直达波的瞬时频率，并根据瞬时频率从直达波中计算出电离层相位污染的方法为：
[0074]
将每一列中系数矩阵的上限值对应的频率定义为直达波的瞬时频率；
[0075]
将瞬时频率与时间相乘并做积分运算得到不同时间对应的电离层相位污染；
[0076]
其中，小波变换的系数矩阵中每一行代表不同的频率，每一列代表不同的时间；
[0077]
得到不同时间对应的电离层相位污染的计算公式为：
[0078][0079]
式中，为电离层相位污染，if(nt)为瞬时频率，t为采样时间间隔。
[0080]
根据电离层相位污染对海洋回波信号进行补偿，获得校正后去电离层相位污染后的海洋回波谱的方法为：
[0081]
用海洋回波信号除以电离层相位污染，获得去污染后的海洋回波信号；
[0082]
根据去污染后的海洋回波信号得到校正后去电离层相位污染后的海洋回波谱；
[0083]
其中，获得校正后去电离层相位污染后的海洋回波谱的计算表达式为：
[0084][0085]
式中，为去电离层相位污染后的海洋回波，s(nt)为被电离层污染的海洋回波，为电离层相位污染。
[0086]
实施例2参考图2至图4：
[0087]
步骤1：从天地波雷达的回波谱中提取直达波信号。选择武汉大学海态实验在2017
年4月1日0点46分采集的天地波雷达数据为研究对象。如图2所示两个几乎呈对称分布的海洋回波中间有一个能量较强的直达波信号。用一个带通滤波器将图2中能量较强的直达波部分提取出来得到只包含直达波的频谱dw(f)，经过逆傅里叶变换得到直达波的时域信号dw(t)。
[0088]
步骤2：用复morlet构建一系列小波函数系列对直达波信号进行小波分解得到小波变换的系数矩阵。用角频率为π的复morlet小波为母小波，经过伸缩和平移得到一些列的小波函数系列，与直达波的时域信号做内积得到小波变换的系数矩阵。
[0089]
步骤3：从小波变换的系数矩阵中提取直达波的瞬时频率并计算电离层相位污染。如图2所示，得到的小波系数矩阵是一个二维矩阵，系数矩阵中每一行代表不同的频率，每一列代表不同的时间。
[0090]
图2中每一列中系数矩阵的最大值对应的频率为直达波的瞬时频率。将瞬时频率与时间相乘并做积分运算得到不同时间对应的电离层相位污染。
[0091]
步骤4：用从直达波中提取的电离层相位污染对海洋回波信号进行补偿得到去电离层相位污染后的海洋回波谱。电离层相位污染是乘性污染，用海洋回波信号除以电离层相位污染即可对原始信号进行补偿，从而获得去污染后的回波信号。
[0092]
图3和图4分别显示了原始数据和去电离层相位污染后的数据，可以明显看出，海洋回波的展宽得到了较大抑制，而且原本整体具有正多普勒频移的频谱被校正到的正确的位置，即两个海洋回波相对于0多普勒近似呈现出对称的形态。
[0093]
本发明从天地波雷达回波数据中提取的直达波为基础，用复morlet小波构建的一系列小波函数系列对其连续小波分解，提取电离层对直达波造成的相位污染，进而对海洋回波进行校正解决天地波雷达海洋回波电离层相位污染的问题；小波变换的算法可以应用在高频天地波雷达回波数据的实时处理速度较快，是是广义s变换的3倍多，具有实用意义。
[0094]
本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0095]
本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0096]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0097]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或
多个方框中指定的功能。
[0098]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0099]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。