[發明專利]一種利用導航X波段雷達反演海面波高的自動定標算法

有效

• 申請號: 201710200565.8
• 申請日: 2017-03-30
• 公開（公告）號: CN106990404B
• 公開（公告）日: 2019-12-06
• 發明（設計）人: 何宜軍;陳忠彪;張彪;李秀仲
• 申請（專利權）人: 南京信息工程大學
• 主分類號: G01S13/88
• 分類號: G01S13/88;G01S7/40
• 代理公司: 32249 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙)
• 代理人: 徐激波<國際申請>=<國際公布>=<進入

本發明公開一種利用導航X波段雷達反演海面波高的自動定標算法，首先對X波段雷達圖像序列作主成分分析獲取海面上各點的相對波面位移，選取沿主波波向的徑向區域，檢測該徑向波浪的跨零點周期和相對波高，對周期作無因次化后，根據波高和周期的聯合分布函數得到波浪的無因次波高；對該徑向的波面位移作傅里葉變換得到相對波數譜，根據波數譜的零階矩和跨零點相對波高得到波浪的相對波高。建立以最小化無因次波高和相對波高之差為目標的函數，求解該函數可以確定波高。本發明具有不需要外部觀測數據、不依賴于雷達系統的優點，因而可以用于岸基和船載導航X波段雷達觀測海面的波高。

技術領域

本發明屬于海洋遙感技術領域，涉及一種利用導航X波段雷達反演海面波高的自動定標算法。

背景技術

海浪對人們的生產和生活有重要影響，如海洋工程、船只航行、石油平臺的生產作業等，此外，風暴潮等自然災害的預報也需要海浪參數。傳統的觀測手段如浮標能夠精確獲得海浪的變化信息，但是它們只能獲得海浪在固定點的變化，而且不易于管理和維護。星載雷達高度計能獲得大面積的波高分布，但是其時間和空間分辨率差。導航X波段雷達可以全天時、全天候觀測海面，并且時間和空間分辨率高，近年來被越來越多地應用于近岸海浪的觀測中。

利用導航X波段雷達圖像序列反演海浪參數的經典算法是三維傅里葉變換算法，對雷達圖像序列作三維傅里葉變換得到雷達圖像譜，然后通過一個經驗的調制傳遞函數將雷達圖像譜轉化為海浪的波數譜，再根據海浪理論來確定海浪的周期、波長和波向，這一算法基于波浪場的空間均勻性和時間穩定性假設，而這種情況在真實海區中是很少存在的。近年來提出的經驗正交函數分解方法可以克服這一缺點，適用于波浪復雜的近岸海區或者高海況條件。但是，由于導航X波段雷達的圖像沒有經過定標，雷達圖像的灰度值不能直接反應海面的高度，以上方法反演海浪的有效波高時都需要用外部數據定標，例如用浮標同步測量海浪的有效波高。由于不同雷達系統的定標系數不同，同一雷達系統在觀測海區中不同位置的定標系數也不同，這對應用導航X波段雷達觀測海浪造成很大困難。另外，還導致船只航行時不能獲得波高信息，而波高對船只的安全航行很重要。因此，發明一種不需要外部定標、不依賴于雷達系統的海面波高定標方法是本領域中需要解決的技術問題。

發明內容

本發明的目的是提供一種利用導航X波段雷達反演海面波高的自動定標算法，該方法是一種不需要外部定標、不依賴于雷達系統的海面波高定標方法。

本發明采用的技術方案為：一種利用導航X波段雷達反演海面波高的自動定標算法，首先對X波段雷達圖像序列作主成分分析獲取海面上各點的相對波面位移，選取沿主波波向的徑向區域，檢測該徑向波浪的跨零點周期和相對波高，對周期作無因次化后，根據波高和周期的聯合分布函數得到波浪的無因次波高；對該徑向的波面位移作傅里葉變換得到相對波數譜，根據波數譜的零階矩和跨零點相對波高得到波浪的相對波高。建立以最小化無因次波高和相對波高之差為目標的函數，求解該函數可以確定波高。所述算法的具體步驟如下：

步驟1：對導航X波段雷達圖像序列作主成分分析，選取空間變化的第一主成分作為海面的波面位移η(r,θ)，其中r是海面上的點到雷達的距離，θ是方位角；由于雷達圖像沒有定標，該位移是相對值，設波面位移的定標系數為a和b，則真實的波面位移為：

z(r,θ)＝a+b·η(r,θ), (1)

步驟2：選取沿主波波向傳播的徑向波面位移z(r,θ_p)，其中θ_p是主波波向，利用一階導數檢測該方向的所有波峰和波谷，根據相鄰波峰或者波谷的距離確定波浪的跨零點波長l_0i(i＝1,2,…,n)，根據相鄰波峰和波谷的高度差確定跨零點相對波高h_0i(i＝1,2,…,n)，其中n表示波長和波高的數量；

步驟3：根據波浪的頻散關系方程將波長轉換為周期t_0i，