一種基于相參x波段雷達圖像的海浪破碎率提取方法
【專利摘要】一種基于相參X波段雷達圖像的海浪破碎率提取方法，包括獲取相參X波段雷達復圖像；在時間域求復圖像的復相關函數；基于該復相關函數求解上述雷達復圖像的相位差，并得到相位差圖像；對相位差圖像進行Radon變換，得到海浪相速度；對復相關函數進行短時FFT變換，得到該復相關函數的短時Doppler頻譜；基于上述短時Doppler頻譜計算海浪的軌道速度；進而獲取整個測量海域的海浪破碎率。本發明顯著降低了海浪破碎率提取過程中的計算量，提高了速度；其相參X波段雷達不受復雜海洋環境條件的限制；且相參X波段雷達有效作用距離遠大于照相機，獲取的海浪破碎率更能反映真實的統計特征。
【專利說明】一種基于相參X波段雷達圖像的海浪破碎率提取方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及相參X波段雷達的海洋應用領域，尤其涉及一種基于相參X波段雷達圖像的海浪破碎率提取方法。
【背景技術】
[0002]海浪破碎是廣袤海洋中海浪所發生的一種重要的海洋現象。海浪破碎是海浪能量衰減的一種主要物理機制，同時，海浪破碎還顯著加強了海洋-大氣之間的動量、能量及氣體的交換；另外，海浪破碎時因其水質點速度較大，因而對海上或海岸工程的破壞力大，故該現象在海洋工程領域也備受關注。海浪破碎率則是描述海浪破碎這一重要海域現象的基本統計特征參數。海浪破碎率是計算海浪破碎強度、破碎歷經時間、海中氣泡分布等統計參量的基本參數，因而海浪破碎率不但在海洋工程中備受關注，而其還具有重要的物理意義和科學價值。
[0003]由于海浪破碎現象涉及海洋動力學、熱力學及表面科學，另外，海浪破碎的非線性特征及時間上的間歇性進一步致使海浪破碎過程更為復雜。因而，目前有關海浪破碎現象的研究仍然是立足于現場觀測的基礎上進行的。目前的通過照相機拍攝海面獲得海浪破碎率的方法主要存在的問題包括:其一，拍攝的海面面積較??；其二，照相機仰角致使照片上近景和遠景端空間比例不均勻，從而在造成較大誤差；其三，當風浪較大時，應用照相機拍攝獲取海浪破碎率的方法也會受到平臺的限制；另外，照相機在夜間工作時效果不佳。
[0004]相參X波段雷達是一種可以安裝在海岸、艦船及海中平臺上的一種主動微波探測器。相參X波段雷達發射的微波信號經海面散射后再被雷達天線所接收，通過該海面回波信號的強度和相位即可以獲取海面波浪信息。由于微波能有效穿透霧、雨滴且不受光照影響，因而，即使在黑夜和惡劣天氣條件下仍然可以工作，另外，與照相機相比，相參X波段雷達的有效觀測距離超過4海里，因而能夠實現大面積海域破碎海浪的觀測，獲得更為準確的海浪破碎率。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是提供一種基于相參X波段雷達圖像的海浪破碎率提取方法，能在復雜海洋環境條件下，能夠實現大面積海域破碎海浪的觀測，獲得準確的海浪破碎率，以克服現有技術的不足。
[0006]一種基于相參X波段雷達圖像的海浪破碎率提取方法，包括:
[0007]I)獲取待測量海域的相參X波段雷達復圖像；
[0008]將相參X波段雷達設置在船上或海岸上，通過向海面發射相參雷達脈沖，獲取天線波束固定指向的時間域雷達復圖像，或者獲取天線波束掃描模式下的海面扇形回波雷達復圖像；
[0009]其特征在于還包括以下步驟:
[0010]2)在時間域求上述X波段雷達復圖像的復相關函數；
[0011]3)基于該復相關函數求解上述雷達復圖像的相位差，并得到相位差圖像；
[0012]4)對相位差圖像進行Radon變換，得到海浪相速度；
[0013]5)對復相關函數進行短時FFT變換，得到該復相關函數的短時Doppler頻譜；
[0014]6)基于上述短時Doppler頻譜計算海浪的軌道速度，并獲得待測量海域每個分辨單元的海浪最大軌道速度；
[0015]7)結合步驟4的海浪相速度、步驟6的海浪最大軌道速度和海浪破碎的運動學判據——當軌道速度大于相速度時即該分辨單元的海浪破碎，從而獲取整個測量海域的海浪破碎率。
[0016]所述步驟2)中，X波段雷達復圖像的復相關函數為:
[0017]R ( τ ) = E [S (r, t+ τ ) S* (r, t)]；
[0018]其中，S(r，t)和S(r，t+ τ )分別表示為相參X波段雷達在t和t+ τ時刻獲取的海面固定分辨單元r處的復后向散射場，τ為雷達采樣時間間隔，符號O表示為對復散射場取共軛；
[0019]所述步驟3)中，雷達復圖像的相位差定義為:
【權利要求】
1.一種基于相參X波段雷達圖像的海浪破碎率提取方法，包括: 1)獲取待測量海域的相參X波段雷達復圖像； 將相參X波段雷達設置在船上或海岸上，通過向海面發射相參雷達脈沖，獲取天線波束固定指向的時間域雷達復圖像，或者獲取天線波束掃描模式下的海面扇形回波雷達復圖像； 其特征在于還包括以下步驟: 2)在時間域求上述X波段雷達復圖像的復相關函數； 3)基于該復相關函數求解上述雷達復圖像的相位差，并得到相位差圖像； 4)對相位差圖像進行Radon變換，得到海浪相速度； 5)對復相關函數進行短時FFT變換,得到該復相關函數的短時Doppler頻譜； 6)基于上述短時Doppler頻譜計算海浪的軌道速度，并獲得待測量海域每個分辨單元的海浪最大軌道速度； 7)結合步驟4的海浪相速度、步驟6的海浪最大軌道速度和海浪破碎的運動學判據——當軌道速度大于相速度時即該分辨單元的海浪破碎，從而獲取整個測量海域的海浪破碎率。
2.如權利要求1所述的基于相參X波段雷達圖像的海浪破碎率提取方法，其特征在于 所述步驟2)中，X波段雷達復圖像的復相關函數為:
R(t) = E[S(r, t+ τ )S*(r, t)]； 其中，S(r, t)和S(r，t+T)分別表示為相參X波段雷達在t和t+τ時刻獲取的海面固定分辨單元r處的復后向散射場，τ為雷達采樣時間間隔，符號O表示為對復散射場取共軛； 所述步驟3)中，雷達復圖像的相位差定義為:
Im[/?(r)].φ - arc Ian^-* ；
Rc[/?(r)] 其中，符號ImO和ReO分別表示取復數的虛部和實部。
3.如權利要求1所述的基于相參X波段雷達圖像的海浪破碎率提取方法，其特征在于 所述步驟4)中，所述Radon變換函數Ω ( θ，p )為:Ω(θ,ρ) = Jf φ{ι\?)δ{ρ -1 cos 6* -r sin θ)?ν?.?，
D 其中，D為大小為乂和隊窗口，δ為狄拉克函數，P為(r，t)平面直線到原點距離，Θ為原點到直線的垂線與t軸的夾角； 經Radon變換得到的海浪相速度為:
Ar _ Νκγ LJ —-—-，
ΔΓ Ttan(^imx) 其中，AT時間間隔，Ar為該時間間隔內海浪傳播距離，Nk和Nt分別為Radon變換所選子窗口在距離和時間兩個維度方向上窗口的大小，Y為相參雷達距離分辨率，θ_表示Radon變換函數Ω ( Θ，P )的極大值點所對應的極角Θ。
4.如權利要求1所述的基于相參X波段雷達圖像的海浪破碎率提取方法，其特征在于所述步驟5)中，經短時FFT變換得到的短時Doppler頻譜為:
其中，R(T)是時間區間[t_AT2, t+AT2]內數據時間序列的負相關函數，f為多普勒頻率； 所述步驟6)中，海浪的軌道速度為:
其中，λ為雷達波波長，
為Bragg多普勒頻移，g為重力加速度常數，Θ i是雷達入射角度。
5.如權利要求1所述的基于相參X波段雷達圖像的海浪破碎率提取方法，其特征在于 所述步驟7)中，海浪破碎的運動學判據為: V> U，即當軌道速度大于相速度時該分辨單元海浪破碎，從而獲取該測量海域的海浪破碎率。
【文檔編號】G01S13/88GK104133208SQ201410316944
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月4日 優先權日:2014年7月4日
【發明者】王運華, 李慧敏, 張彥敏 申請人:中國海洋大學
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