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一種基于波數(shù)能量譜的導(dǎo)航雷達(dá)圖像反演海面風(fēng)向的方法

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一種基于波數(shù)能量譜的導(dǎo)航雷達(dá)圖像反演海面風(fēng)向的方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明屬于利用遙感手段反演海洋表面風(fēng)向的領(lǐng)域,特別涉及一種基于波數(shù)能量譜的導(dǎo)航雷達(dá)圖像反演海面風(fēng)向的方法。本發(fā)明包括:雷達(dá)圖像預(yù)處理;提取海面靜態(tài)特征;反演海面風(fēng)向信息。本發(fā)明提出的一種基于波數(shù)能量譜的導(dǎo)航雷達(dá)圖像反演海面風(fēng)向的方法,不需要空間域縮減,能自動(dòng)適應(yīng)不同尺度的風(fēng)條紋,可以在不同海況條件下測(cè)量風(fēng)向,誤差結(jié)果穩(wěn)定,工程可用度高。本發(fā)明提出的一種基于波數(shù)能量譜的導(dǎo)航雷達(dá)圖像反演海面風(fēng)向的方法,通過(guò)波數(shù)能量譜波數(shù)尺度分離只將風(fēng)條紋能量譜提取出來(lái),提高了風(fēng)向反演精度,降低了其他尺度噪聲的干擾。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種基于波數(shù)能量譜的導(dǎo)航雷達(dá)圖像反演海面風(fēng)向的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于利用遙感手段反演海洋表面風(fēng)向的領(lǐng)域,特別涉及一種基于波數(shù)能量譜的導(dǎo)航雷達(dá)圖像反演海面風(fēng)向的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]海面風(fēng)場(chǎng)是海-汽交界面的重要?jiǎng)恿?lái)源,對(duì)航海作業(yè)和海洋動(dòng)力學(xué)研究有重要的意義。海面風(fēng)場(chǎng)信息主要包括海面風(fēng)向和海面風(fēng)速兩個(gè)方面,本發(fā)明是用于反演海面風(fēng)向信息的。
[0003]傳統(tǒng)風(fēng)向信息獲取方法主要分為兩大類(lèi):站點(diǎn)式現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和遙感測(cè)量。
[0004]站點(diǎn)式現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量主要有岸基風(fēng)向標(biāo)單點(diǎn)測(cè)量、浮標(biāo)、觀測(cè)船上測(cè)量等,但這種測(cè)量方式易受周?chē)趽醐h(huán)境和天氣影響,海上測(cè)量受船舶和浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)等影響,并且對(duì)于遠(yuǎn)洋海域很難放置設(shè)備獲取測(cè)量數(shù)據(jù)[1-3]。見(jiàn)參考文獻(xiàn)[1-3](段華敏.X波段雷達(dá)提取海面風(fēng)場(chǎng).中國(guó)海洋大學(xué)碩士論文.2009,1-3頁(yè).楊勁松.合成孔徑雷達(dá)海面風(fēng)場(chǎng)、海浪和內(nèi)波遙感技術(shù).北京:海洋出版社,2005:1-3,24-44頁(yè).Wu L C,Doong D J1WuC Cj etal.Wave and current extraction from marine radar images.0cean Wavesand Analysis, Proceedings of the Fifth International Symposium on Ocean WaveMeasurement and Analysis, Madrid Spain,2005.)
[0005]遙感測(cè)量主要有機(jī)載或星載的微波散射計(jì)、SAR等,這種手段可以測(cè)量大面積海面風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)。但仍存在一些無(wú)法克服的缺陷:對(duì)于機(jī)載遙感技術(shù),飛機(jī)航行受天氣影響較大,在惡劣海洋氣象狀態(tài)下是無(wú)法工作的。對(duì)于衛(wèi)星遙感測(cè)量技術(shù),其空間分辨率低,無(wú)法獲取近岸數(shù)據(jù);時(shí)間采樣率低,無(wú)法獲得實(shí)時(shí)海洋數(shù)據(jù);通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星云圖上獲得的多為云頂風(fēng)而不是海表面風(fēng)場(chǎng)信息[4-8]。見(jiàn)參考文獻(xiàn)[4-8](Horstmann Jj Koch Wj Lehner S,etal.0cean winds from RADARSAT-1ScanSAE.Can J Remote Sens.2002,28 (3):524-533P.Horstmann Jj Lehner S and RosenthalW.Detection of wave groups in SAR images and radar image sequences.1EEETrans Geosci Remote Sens,2003,41:1437-1446P.Horstmann J,Koch W.Measurementofocean surface winds using synthetic aperture radars.1EEE Journal of OceanicEngineering, 2005,30 (3):508-515P.Horstmann J,Schiller H,StelIenfIeth JSjetal.Global wind speed retrieval from SAR.1EEE Transactions on Geoscienceand Remote Sensing,2003,41 (10):2277-2286P.Plant W Jj Keller W C and HayesK.Simulaneous measurement of ocean winds and waves with an airborne coherentreal aperture radar.Journal of Atmospheric and Oceanic Technology - specialsection,2004,22:832_846P.)
[0006]導(dǎo)航雷達(dá)是一種具有高時(shí)空分辨率的脈沖式雷達(dá)系統(tǒng),通過(guò)旋轉(zhuǎn)發(fā)射X波段微波,獲取與海面發(fā)生后向散射的海面信號(hào)。X波段導(dǎo)航雷達(dá)因具有不受光線影響、不受天氣影響、實(shí)時(shí)連續(xù)反饋、高分辨率和使用便捷等優(yōu)點(diǎn)成為海面氣象數(shù)據(jù)獲取研究的熱點(diǎn)。[0007]應(yīng)用X波段導(dǎo)航雷達(dá)圖像測(cè)量海面風(fēng)向國(guó)內(nèi)外主要分為兩類(lèi):一類(lèi)是基于雷達(dá)回波強(qiáng)度和風(fēng)向分布關(guān)系提取海面風(fēng)向信息;一類(lèi)是基于海面風(fēng)速分布不均勻?qū)е碌睦走_(dá)回波圖像中呈現(xiàn)出的風(fēng)條紋來(lái)計(jì)算海面風(fēng)向信息。
[0008]1998年,Hatten等人提出基于雷達(dá)回波強(qiáng)度和風(fēng)向分布關(guān)系提取海面風(fēng)向/[目息,依據(jù)雷達(dá)觀測(cè)方向與海面風(fēng)向夾角不同時(shí),雷達(dá)回波強(qiáng)度呈現(xiàn)非線性分布,從而獲取海面風(fēng)向信息。文獻(xiàn)指出HH極化X波段雷達(dá)觀測(cè)方向是逆風(fēng)向時(shí)雷達(dá)回波強(qiáng)度達(dá)到最大,從而確定逆風(fēng)方向來(lái)獲取海表面主風(fēng)向[9]。但是此方法需要360°全幅無(wú)遮擋的X波段雷達(dá)圖像,但無(wú)論岸基、塔基還是航海雷達(dá)都是無(wú)法實(shí)現(xiàn)全幅無(wú)遮擋探測(cè)的,因此,此方法在工程和實(shí)驗(yàn)中都是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。見(jiàn)參考文獻(xiàn)[9] (Hatten H, Seemann J, Horstmann J, etal.Azimuthal dependence of the radar cross section and the spectral backgroundnoise of a nautical radar at grazing incidence.1nternational Geoscience andRemote Sensing Symposium.Seattle, USA, 1998, 5:2490-2492P)
[0009]另一類(lèi)是應(yīng)用雷達(dá)回波強(qiáng)度與風(fēng)速的關(guān)系,主要是基于海面風(fēng)速分布不均勻?qū)е碌睦走_(dá)回波圖像中呈現(xiàn)出的風(fēng)條紋來(lái)計(jì)算海面風(fēng)向信息。雷達(dá)回波上存在的風(fēng)條紋成因如下:
[0010]當(dāng)風(fēng)掠過(guò)海面時(shí)會(huì)產(chǎn)生風(fēng)切應(yīng)力,海-氣界面上會(huì)受到不均勻的風(fēng)切應(yīng)力作用,由于風(fēng)切應(yīng)力的不同會(huì)產(chǎn)生分布不均勻的陣風(fēng)風(fēng)速場(chǎng)疊加在海面上,由于風(fēng)速的作用在海面上會(huì)產(chǎn)生不同尺度的微湍流,這些微湍流改變了海表面的粗糙度。因此,根據(jù)粗糙度的分布在X波段導(dǎo)航雷達(dá)圖像上會(huì)形成亮暗相間的條紋,即風(fēng)條紋。風(fēng)條紋的尺度為100?500m,頻率接近靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài),風(fēng)條紋方向與風(fēng)向平行[10]。見(jiàn)參考文獻(xiàn)[10] (Moeng C
H,Sullivan P.A Comparison of Shear-and Bouyancy-Driven Planetary Boundary LayerFlower[M].)。
[0011]2004年,Dankert等人提出應(yīng)用光流法從X波段導(dǎo)航雷達(dá)圖像序列中提取海面風(fēng)向信息,利用提取的風(fēng)條紋在多幅圖像上的移動(dòng)來(lái)確定風(fēng)場(chǎng)信息,這就要求在連續(xù)的圖像上存在灰度一致的風(fēng)條紋[11]。但風(fēng)條紋信號(hào)是靜態(tài)信號(hào),根據(jù)風(fēng)條紋的成因在同一序列圖像中無(wú)法獲得風(fēng)條紋的移動(dòng),因此光流法在理論和實(shí)驗(yàn)中都證明是無(wú)法反演海面風(fēng)向的。見(jiàn)參考文獻(xiàn)[11] (Dankert H, Horstmann J, Rosenthal ff.0cean surface windsretrieved from marine radar image sequences.1nternational Geosciences andRemote Sensing Symposium, 2004, 3:1903-1906P)
[0012]2003年,Dankert等人提出應(yīng)用局部梯度法從X波段導(dǎo)航雷達(dá)圖像序列中測(cè)量海面風(fēng)向。此算法首先需要從X波段導(dǎo)航雷達(dá)圖像序列中提取出海面靜態(tài)特征圖像,再對(duì)海面靜態(tài)特征圖像進(jìn)行平滑和縮減得到風(fēng)條紋圖像,然后應(yīng)用Sobel算子來(lái)求取風(fēng)條紋圖像梯度方向,由于風(fēng)向與風(fēng)條紋方向平行,梯度的垂直方向就是海面風(fēng)向。Dankert等人已經(jīng)應(yīng)用來(lái)自Ekofish2/4和FINO-1平臺(tái)的數(shù)據(jù)驗(yàn)證了應(yīng)用此算法計(jì)算海面風(fēng)向信息的可行性[12]。見(jiàn)參考文獻(xiàn)[12] (Dankert H, Horstmann J, Rosenthal ff.0cean wind fieldsretrieved from radar image sequences.Journal of Geophysical Research, 2003, 108(Cll):16-1-16-11P)
[0013]局部梯度法是對(duì)風(fēng)條紋圖像進(jìn)行空間域處理的,通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)此方法計(jì)算海面風(fēng)向的關(guān)鍵在于對(duì)海面靜態(tài)特征圖像縮減和平滑的次數(shù),只有縮減后圖像分辨率為風(fēng)條紋尺度的1/16~1/4時(shí),才能計(jì)算出正確的風(fēng)條紋的梯度,從而獲得準(zhǔn)確的海面風(fēng)向。但風(fēng)條紋的尺度是在100~500之間不定的,在工程中無(wú)法自動(dòng)尋找到合適的縮減圖像分辨率,而固定的縮減圖像分辨率會(huì)導(dǎo)致風(fēng)向反演誤差不穩(wěn)定,進(jìn)而導(dǎo)致此算法無(wú)法實(shí)際應(yīng)用。
[0014]本發(fā)明提出了一種基于波數(shù)能量譜的導(dǎo)航雷達(dá)圖像反演海面風(fēng)向的方法,此方法不需要對(duì)海面靜態(tài)特征圖像進(jìn)行空間域的縮減和平滑處理,只需根據(jù)風(fēng)條紋的特性就可以將其能量譜特征提取出來(lái),從而計(jì)算出海面風(fēng)向,既可以滿(mǎn)足工程對(duì)海面風(fēng)向的精度又可以程序化應(yīng)用到工程中去。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]本發(fā)明的目的在于提供一種保證海面風(fēng)向反演精度,又能適用工程實(shí)時(shí)反饋海面風(fēng)向信息的基于波數(shù)能量譜的導(dǎo)航雷達(dá)圖像反演海面風(fēng)向的方法。
[0016]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0017](I)雷達(dá)圖像預(yù)處理:
[0018]對(duì)實(shí)測(cè)X波段導(dǎo)航雷達(dá)圖像應(yīng)用2-D非線性平滑中值濾波,
[0019]
【權(quán)利要求】
1.一種基于波數(shù)能量譜的導(dǎo)航雷達(dá)圖像反演海面風(fēng)向的方法,其特征在于: (1)雷達(dá)圖像預(yù)處理: 對(duì)實(shí)測(cè)X波段導(dǎo)航雷達(dá)圖像應(yīng)用2-D非線性平滑中值濾波,
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于波數(shù)能量譜的導(dǎo)航雷達(dá)圖像反演海面風(fēng)向的方法,其特征在于:計(jì)算風(fēng)條紋波長(zhǎng)尺度下限Ld取500m。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于波數(shù)能量譜的導(dǎo)航雷達(dá)圖像反演海面風(fēng)向的方法,其特征在于:計(jì)算風(fēng)條紋波長(zhǎng)尺度上限Lt取100m。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于波數(shù)能量譜的導(dǎo)航雷達(dá)圖像反演海面風(fēng)向的方法,其特征在于:船艏向角α取93°。
【文檔編號(hào)】G01S13/95GK103941257SQ201410145846
【公開(kāi)日】2014年7月23日 申請(qǐng)日期:2014年4月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月11日
【發(fā)明者】盧志忠, 王慧, 邱海洋, 熊平, 呂杰, 戴云桃, 葛琪, 衛(wèi)延波, 馮海玉, 孫鐸 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)
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