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1、(10)申请公布号 CN 103558600 A (43)申请公布日 2014.02.05 CN 103558600 A (21)申请号 201310573817.3 (22)申请日 2013.11.15 G01S 13/89(2006.01) (71)申请人 武汉大学 地址 430072 湖北省武汉市武昌区珞珈山武 汉大学 (72)发明人 吴雄斌 王立 马克涛 柳剑飞 皮小珊 李川 (74)专利代理机构 武汉科皓知识产权代理事务 所 ( 特殊普通合伙 ) 42222 代理人 薛玲 (54) 发明名称 一种利用 S 波段雷达探测海表面风场的方法 (57) 摘要 本发明提供一种利用 S 波段雷达。
2、探测海洋表 面风场的方法， 包括步骤 1、 利用 S 波段雷达收集 探测区域海面回波图， 对收集的 N 幅回波图像序 列进行三维 FFT， 得到变换后的图像谱 ； 步骤 2、 利 用相应的滤波技术对图像谱进行滤波， 将信号从 噪声中分离出来 ； 步骤 3、 利用三维反 FFT 以及调 制传递函数 （MFT） 来将三维波数谱转换为频率域 的海浪谱 ； 步骤 4、 对海浪谱进行风浪和涌浪的分 离 ； 步骤 5、 利用光流技术结合加权最小二乘法即 可以从分离出风浪的三维谱图中提取出海表面风 场信息。本发明为海洋表面风场探测提供了一种 新的手段， 具有较高的风场测量分辨率以及能形 成 X 波段雷达探测。
3、区域内所有海域的风场图， 结 果直观明了。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书5页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103558600 A CN 103558600 A 1/1 页 2 1. 一种利用 S 波段雷达探测海表面风场的方法， 其特征在于 ： 包括以下步骤， 步骤 1、 利用 S 波段雷达收集探测区域海面回波图， 对收集的 N 帧回波图像序列进行三 维 FFT 变换， 得到图像谱 ； 步骤 2、 对步骤 1 得到的图像谱， 利用频率 - 波数以及方向 - 波数。
4、的关系来对谱进行联 合滤波， 得到滤波后的三维波数谱 ； 步骤3、 利用三维反FFT变换以及调制传递函数MFT将步骤2得到的三维波数谱转换为 频率域的海浪谱 ； 步骤4、 对步骤3所得海浪谱通过JP方法进行风浪和涌浪的分离， 得到分离出风浪的三 维谱图 ； 步骤 5 ： 利用光流技术结合加权最小二乘法从步骤 4 所得的分离出风浪的三维谱图中 提取出海表面风场信息。 2. 根据权利要求 1 所述的一种利用 S 波段雷达探测海表面风场的方法， 其特征在于 ： 所述步骤 1 中， 三维 FFT 变换过程如下 ： 对待处理矩形区域雷达图像灰度值随时空的分布 g(x,y,t) 作三维 FFT 得到在波数。
5、空 间和频率空间的能量分布， 其中， Lx,Ly,T 分别为矩形区域的长、 宽和时间序列的总长度， Lx Nxx， Ly Nyy， T Nt ； I(kx,ky,)为三维傅里叶变换后的三维数组 ； g(x,y,t)为雷达图像灰度值随时空 的分布 ； kx,ky, 分别为规定的 x 坐标轴以及 y 坐标轴的波数以及波浪频率。 3. 根据权利要求 2 所述的一种利用 S 波段雷达探测海表面风场的方法， 其特征在于 ： 所述步骤 2 中利用频率 - 波数以及方向 - 波数的关系， 找出最接近线性波理论色散方程并 且回波信号强度大于基本噪声强度的区域， 将信号从噪声中分离出来。 4. 根据权利要求 3。
6、 所述的一种利用 S 波段雷达探测海表面风场的方法， 其特征在于 ： 所述步骤 3 中， 三维反 FFT 变换如下 ： Iw(ri,t) 3-FFT-1(MFT*Iw(kx,ky,) 其中， MFT 表示调制传递函数。 5. 根据权利要求 1-4 中任意一项所述的一种利用 S 波段雷达探测海表面风场的方法， 其特征在于 ： 所述步骤 1 中， N 的取值为 2m， m 是大于等于 4 的正整数。 权 利 要 求 书 CN 103558600 A 2 1/5 页 3 一种利用 S 波段雷达探测海表面风场的方法 技术领域 0001 本发明属于雷达探测领域， 尤其涉及一种利用 S 波段雷达探测海表面。
7、风场的方 法。 背景技术 0002 S 波段岸基雷达和航海雷达广泛用于海上交通管理和海上航行导航， 近三十年来 逐步发展成为一种用于海洋环境监测的新手段。为了利用 S 波段雷达获取海浪场等信息， 必须对产生雷达信号后向散射的回波进行研究。由于海表面对雷达来说是一个动态的、 不 断变化的平面， 因而对雷达回波的认识不仅要寻求一个合适的模型来描述海表面的散射特 性， 而且还要深入了解海洋的复杂运动。对于 S 波段雷达， 电磁波入射到海面上与海面几乎 平行， 在入射角较大时， 海面对电磁波的散射主要是由于海面上与电磁波波长大约为同一 量级的Bragg波通过Bragg散射机制产生的。 Bragg波又依。
8、次在方向、 能量和运动上受到更 大尺度波的调制， 从而使海浪在S波段雷达图像上成像。 S波段航海雷达本来仅应用于监测 海上移动目标， 但雷达回波图像还包含着丰富的海浪信息。 S波段雷达监测海面对应于掠入 射的情形， 海浪的雷达成像理论可分为单点的 Bragg 共振理论和长波调制理论， Bragg 波和 长波在成像过程中发挥着不同的作用。Bragg 波通过共振机制后向散射电磁波。长波通过 调制作用调制 Bragg 短波， 包括阴影调制、 倾斜调制、 流体动力调制、 轨道调制等调制作用。 利用上述成像机理， 研究雷达图像谱和海浪谱的关系， 可以用雷达图像反演得到海浪的统 计参数。因此， 接收的 S。
9、 波段雷达图像包含着丰富的海浪信息， 利用雷达接收的回波信号， 可以进行相应的后续反演处理， 进而可以得到所观测区域的海洋表面风场等有用的信息。 0003 传统海面风场探测如风速仪、 风向标等都只能得到小区域的风场信息， 并且观测 手段十分困难。至今为止， 并没有利用 S 波段雷达探测海表面风场的技术。 发明内容 0004 针对背景技术存在的问题， 本发明提供一种利用 S 波段雷达探测海表面风场的方 法。本发明可适用于岸基 S 波段雷达以及船载 S 波段雷达， 并且可应用于各种不同 S 波段 雷达机型。利用现有的光流技术和风浪、 涌浪分离技术， 结合本发明特有的利用频率 - 波数 以及方向 -。
10、 波数的关系对谱进行联合滤波方法， 可以得到高精度的海面风场信息。本发明 的核心在利用 S 波段雷达接收的海洋回波信息实时、 快速、 准确、 稳定的反演出整个雷达探 测区域海的高分辨率的表面风场， 其适用性广， 方便快捷。本发明可适用于岸基 S 波段雷达 以及船载 S 波段雷达， 并且可应用于各种不同 S 波段雷达机型。 0005 本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的 ： 0006 一种利用 S 波段雷达探测海表面风场的方法， 包括以下步骤 ： 0007 步骤 1、 利用 S 波段雷达收集探测区域海面回波图， 对收集的 N 帧回波图像序列进 行三维 FFT 变换， 得到图像谱 。
11、； 0008 三维FFT变换如下 ： 对待处理矩形区域雷达图像灰度值随时空的分布g(x,y,t)作 说 明 书 CN 103558600 A 3 2/5 页 4 三维 FFT 得到反映在波数空间和频率空间的能量分布的图像谱， 0009 0010 其中， Lx,Ly,T 分别为矩形区域的长、 宽和时间序列的总长度， Lx Nxx， Ly Nyy， T Nt ； Nx， Ny分别代表图像 X 方向的像素点数以及 Y 方向像素点数 ； N 为收集的 回波图像帧数 ； n1,n2,n3为与x,y,t对应的离散分量 ； x,y,t分别为图像X方向像素 分辨率、 图像 Y 方向像素分辨率以及时间分辨率 ；。
12、 I(kx,ky,) 为三维傅里叶变换后的波数 空间和频率空间的能量分布 ； g(x,y,t) 为雷达图像灰度值随时空的分布 ； kx,ky, 分别为 规定的 x 坐标轴以及 y 坐标轴的波数以及波浪频率 ； 0011 步骤 2、 对步骤 1 得到的图像谱 I(kx,ky,)， 利用频率 - 波数以及方向 - 波数的关 系来对谱进行联合滤波 ； 0012 具体方法是 ： 利用频率-波数以及方向-波数的关系， 找出最接近线性波理论色散 方程并且回波信号强度大于基本噪声强度的区域， 以此来将信号从噪声中分离出来 ； 0013 步骤3 ： 利用三维反FFT变换以及调制传递函数 （MFT） 来将三维波。
13、数谱转换为频率 域的海浪谱 ； 0014 步骤 4 ： 对步骤 3 所得海浪谱进行风浪和涌浪的分离， 得到分离出风浪的三维谱 图 ； 0015 步骤 5 ： 利用光流技术结合加权最小二乘法即可以从分离出风浪的三维谱图中提 取出海表面风场信息。 0016 所述步骤 1 中， N 帧中 N 取值为 2m， 其中， m 取值是大于等于 4 的正整数。 0017 与现有技术相比， 本发明具有如下优点 ： 0018 1. 本发明利用 S 波段雷达探测海表面风场， 为海面风场探测提供了一种新的方 法 ； 0019 2. 本发明计算方法简单， 占用资源少 ； 0020 3. 本发明利用小型 S 波段雷达作为。
14、探测工具， 具有全天候、 低成本等优点 ； 0021 4. 本发明能够实现连续、 实时的精细化观测， 快速获取高分辨率的海洋水深分 布 ； 0022 5. 本发明不仅适用于岸基 S 波段雷达， 还适用于船载 S 波段雷达。 附图说明 0023 图 1 本发明的方法流程示意图。 0024 图 2 本发明中结合频率 - 波数以及方向 - 波数对回波谱进行滤波示意图。 0025 图 3 本发明实施例中涉及的间波数与角频率的几何关系。 具体实施方式 0026 下面通过实施例， 并结合附图， 对本发明的技术方案作进一步具体的说明。 0027 本发明所涉及的具体方法流程如图 1 所示， 具体包括 ： 说 。
15、明 书 CN 103558600 A 4 3/5 页 5 0028 步骤 1、 利用 S 波段雷达收集探测区域海面回波图， 对收集的 N 帧回波图像序列进 行三维 FFT 变换， 得到图像谱 ； 0029 本发明所需要利用 S 波段雷达收集探测区域海面回波图， 并且将收集的回波图像 序列保存为三维图像序列g(x,y,t)。 本发明先把S波段雷达探测区划分为每个小区域供后 续算法的处理， 如 ： 设定的选取的区域大小为 Lx*Ly米， 即 X 轴方向最少划分为 Nx等份， 分辨 率为 x 米 ； Y 轴方向最少划分 Ny等份即分辨率也为 y 米。分析雷达图像序列数量选取 为 N 幅， 考虑到每帧。
16、图像成像的时间 （也即雷达天线转一圈的时间 t） ， 即可得出这一图像 序列所需要的时间周期 T N*t。 0030 其中， x,y 为雷达分辨率， 其取值与雷达系统的波形带宽有关， 对 X 波段导航 雷达通常为 5m、 7.5m、 10m、 15m Lx*Ly为反演区域的大小， 通常为数百米 ； Nx,Ny为坐标个数， 通常为 2m， 其中， m 取值是大于等于 4 的正整数。 0031 对待处理矩形区域雷达图像灰度值随时空的分布 g(x,y,t) 作三维 FFT 变换得到 在波数空间和频率空间的能量分布， 0032 0033 其中， Lx,Ly,T 分别为矩形区域的长、 宽和时间序列的总长。
17、度。 0034 Lx Nxx 0035 Ly Nyy 0036 T Nt 0037 变换后的谱分辨率为 0038 步骤 2、 对步骤 1 得到的图像谱， 利用频率 - 波数以及方向 - 波数的关系来对谱进 行联合滤波， 得到滤波后的三维波数谱 ； 0039 本发明的滤波方式是利用频率 - 波数以及方向 - 波数的关系来对谱进行联合滤 波， 并且它的最终目标是为了得到最后滤出的满足要求的小区域， 其原理图如图 2。数谱的 空间波数与角频率的几何关系图如图 3。 0040 步骤3、 利用三维反FFT变换以及调制传递函数MFT将步骤2得到的三维波数谱转 换为频率域的海浪谱 ； 0041 通过三维反傅。
18、里叶变换， 将滤波后的三维图像谱转换为三维空间域海浪谱 ： 0042 Iw(ri,t) 3-FFT-1(MFT*Iw(kx,ky) (2) 0043 其中， MFT 表示调制传递函数， 经过它的调制作用， 可以使图像谱转换为海浪谱 ； Iw(kx,ky) 为三维图像谱 ； Iw(ri,t) 为三维空间域海浪谱 ； ri,t 分别代表海浪谱的距离与时 间信息。对 （2） 式两边加上导数算子即可得出二维空间海浪谱， 上述所得到的单一成分的 图像谱代表着分离出来的雷达探测区域海浪的回波强度。 0044 步骤4、 对步骤3所得海浪谱通过JP方法进行风浪和涌浪的分离， 得到分离出风浪 的三维谱图 ； 说。
19、 明 书 CN 103558600 A 5 4/5 页 6 0045 由于本发明主要研究海表面风场， 因此需要先分离出与海表面风场有关的风浪。 海浪谱由于可以反应海浪的内部结构， 因而可以借助海浪谱对风、 涌浪成分进行分离。 当海 浪以混合浪形式存在时， 海浪谱会呈双峰或者多峰形态， 根据海浪统计原理， 海浪可以看作 是由一系列的正弦波系统叠加而成的， 海浪谱的各个谱峰正是对应不同波系统的谱峰值， 相邻的两个峰之间的 “波谷” 可以看作是两个波系统的划分界限。这样可以把一个海浪谱 划分成若干个波系统， 通过对每一个波系统进行波浪成分判定， 就可以实现风涌浪的分离。 JP 法是波浪系统识别法的一。
20、种， 它定义一个参量 ， 用来表示波系统谱峰值与波系统谱峰 频率相同的 PM 谱的谱峰值之比 ： 0046 0047 式中， S(fp) 是单个波系统的谱峰值， fp是单个波系统的谱峰频率， SPM(fp) 是谱峰 频率为 fp的 PM 充分成长风浪谱的谱峰值， PM 谱的基本形式是 ： 0048 0049 如果 1， 即满足超射特性， 那么这个波系统就被认定为是风浪， 反之， 则是涌浪。 通过这种分离方法， 分离出是风浪的三维空间域海浪谱。 0050 步骤 5、 利用光流技术结合加权最小二乘法从步骤 4 所得的分离出风浪的三维谱 图中提取出海表面风场信息。 0051 根据光流技术， 进行海表。
21、面风场反演。将分离出的风浪的海浪谱对时间 n 项移动 平均 : 0052 0053 其中， E(r,t1) 为移动平均后的海浪谱 ； r,t1分别代表移动平均后的海浪谱的距离 与时间信息 ； n 为移动平均项次数。取 n=27, 对时间的这种积分移除了时间上有较大变化 的信号， 仅仅保留静态的和周期低于积分时间的信号。 0054 将 E(r,t1) 迭代平滑并且抽样得到一个所谓的高斯金字塔。其生成包含低通滤波 和下采样的过程， 其算法简述如下 ： 0055 0056 其中， G 为高斯权矩阵 : 0057 0058 上式中， 1 k N(N 是金字塔层数 ) ； 1 i K1， 1 j K2(。
22、K1和 K2分别是 Ek 的行数和列数 ) ； m,n 为从 -2 到 2 的整数。经过这样处理后， E(r,t1) 相邻两级图像的频带 说 明 书 CN 103558600 A 6 5/5 页 7 以 1/8 倍率减小， 图像大小则以 1/4 倍率减小。 0059 根据运动约束方程， 满足 E(r,t1) 对时间的导数等于零的风速即使所要得到的风 速信息， 即 ： 0060 0061 其中， vvx,vyT表示光流(风场速度分量)， vx代表着海面风场沿着坐标轴x方 向的风速， vy代表着海面风场沿着坐标轴 y 方向的风速。定义为海浪谱空间梯度， 是海浪谱对的时间偏导数。 0062 假设在每。
23、个小区域像素内光流 v 是常量， 在单个像素上运用加权最小二乘估计， 产生如下线性方程 0063 0064 式中 ： 0065 SO(DxDy) (10) 0066 式中 SO 是一个平滑算子， Dx.Dy分别是算符在空间 X 与 Y 方向上的一阶导数， Dt是 算符在时间上的一阶导数。 即SO(Dx Dx)， SO(Dy Dy)， SO(Dy Dx)， SO(DxDt)， SO(DyDt)。由 (9) 式可以得到每个小区域像素点海表面流 速其中包含着代表着海面风场沿着坐标轴 x 方向的风速 vx以及代表 着海面风场沿着坐标轴 y 方向的风速 vy， 因此海表面风向 0067 wind arc。
24、tan(vx/vy) (11) 0068 根据上述反演的每个像素点的海表面风速以及方向即可得出整个雷达探测区域 的海表面风场图。 0069 本发明是基于海洋重力波色散关系及相应的几何关系， 结合相关的风场反演算法 得来海表面风场信息。本发明并非通过简单的流速信息来进行相关滤波工作， 所以本算法 不仅适用于岸基 S 波段雷达， 还适用于船载 S 波段雷达。 0070 本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。 本发明所属技术领 域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替 代， 但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。 说 明 书 CN 103558600 A 7 1/2 页 8 图 1 说 明 书 附 图 CN 103558600 A 8 2/2 页 9 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 103558600 A 9 。