一种基于相参X波段雷达图像的海浪破碎率提取方法

摘要

一种基于相参X波段雷达图像的海浪破碎率提取方法，包括获取相参X波段雷达复图像；在时间域求复图像的复相关函数；基于该复相关函数求解上述雷达复图像的相位差，并得到相位差图像；对相位差图像进行Radon变换，得到海浪相速度；对复相关函数进行短时FFT变换，得到该复相关函数的短时Doppler频谱；基于上述短时Doppler频谱计算海浪的轨道速度；进而获取整个测量海域的海浪破碎率。本发明显著降低了海浪破碎率提取过程中的计算量，提高了速度；其相参X波段雷达不受复杂海洋环境条件的限制；且相参X波段雷达有效作用距离远大于照相机，获取的海浪破碎率更能反映真实的统计特征。

主权项

一种基于相参X波段雷达图像的海浪破碎率提取方法，包括：1)获取待测量海域的相参X波段雷达复图像；将相参X波段雷达设置在船上或海岸上，通过向海面发射相参雷达脉冲，获取天线波束固定指向的时间域雷达复图像，或者获取天线波束扫描模式下的海面扇形回波雷达复图像；其特征在于还包括以下步骤：2)在时间域求上述X波段雷达复图像的复相关函数；3)基于该复相关函数求解上述雷达复图像的相位差，并得到相位差图像；4)对相位差图像进行Radon变换，得到海浪相速度；5)对复相关函数进行短时FFT变换，得到该复相关函数的短时Doppler频谱；6)基于上述短时Doppler频谱计算海浪的轨道速度，并获得待测量海域每个分辨单元的海浪最大轨道速度；7)结合步骤4的海浪相速度、步骤6的海浪最大轨道速度和海浪破碎的运动学判据——当轨道速度大于相速度时即该分辨单元的海浪破碎，从而获取整个测量海域的海浪破碎率；所述步骤2)中，X波段雷达复图像的复相关函数为：R(τ)＝E[S(r,t+τ)S^*(r,t)]；其中，S(r,t)和S(r,t+τ)分别表示为相参X波段雷达在t和t+τ时刻获取的海面固定分辨单元r处的复后向散射场，τ为雷达采样时间间隔，符号(^*)表示为对复散射场取共轭；所述步骤3)中，雷达复图像的相位差定义为：其中，符号Im( )和Re( )分别表示取复数的虚部和实部；所述步骤4)中，所述Radon变换函数Ω(θ,ρ)为：其中，D为大小为N_R和N_t窗口，δ为狄拉克函数，ρ为(r,t)平面直线到原点距离，θ为原点到直线的垂线与t轴的夹角；经Radon变换得到的海浪相速度为：$U=\frac{\Delta r}{\Delta T}=\frac{N_R\gamma }{N_t\tau tan\left({\theta }_{max}\right)},$其中，ΔT时间间隔，Δr为该时间间隔内海浪传播距离，N_R和N_t分别为Radon变换所选子窗口在距离和时间两个维度方向上窗口的大小，γ为相参雷达距离分辨率，θ_max表示Radon变换函数Ω(θ,ρ)的极大值点所对应的极角θ；所述步骤5)中，经短时FFT变换得到的短时Doppler频谱为：$P(t,f)=\underset{-\Delta T/2}{\overset{\Delta T/2}{\int }}R\left(\tau \right)\exp (-j2\pi f\tau )d\tau ,$其中，R(τ)是时间区间[t‑ΔT/2,t+ΔT/2]内数据时间序列的负相关函数，f为多普勒频率；所述步骤6)中，海浪的轨道速度为：$V=\frac{(f-f_B)\lambda }{2{\mathrm{sin\theta }}_i},$其中，λ为雷达波波长，为Bragg多普勒频移，g为重力加速度常数，θ_i是雷达入射角度；所述步骤7)中，海浪破碎的运动学判据为：V>U，即当轨道速度大于相速度时该分辨单元海浪破碎，从而获取该测量海域的海浪破碎率。