專利名稱：一種基于x波段航海雷達(dá)的海面風(fēng)場測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于海洋動(dòng)力環(huán)境遙感技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及應(yīng)用X波段航海雷達(dá)測量海面風(fēng)場參數(shù)的方法。
背景技術(shù)：
海面風(fēng)場是海洋表面活動(dòng)的主要?jiǎng)恿碓?，調(diào)節(jié)著海洋上層和低層大氣之間的能量、動(dòng)量、物質(zhì)和水氣的交換，直接影響著人類海上活動(dòng)(海洋漁業(yè)、海上航行、海洋工程等)，它是海/氣邊界層以及生物圈系統(tǒng)的關(guān)鍵因素。風(fēng)掠過海面時(shí)，引起海面的粗糙不平，即微尺度波，它們與航海雷達(dá)的電磁波波長類似，當(dāng)電磁波遇到微尺度波時(shí)，發(fā)生Bragg共振，產(chǎn)生后向回波，形成海雜波圖像。2004年德國GKSS研究中心Dankert等人首次應(yīng)用基于圖像灰度不變模型(BCM)的光流法從海 雜波圖像序列中提取了海面風(fēng)場，此方法簡單，不需要校正雷達(dá)相位。見參考文獻(xiàn)[I](王劍，段華敏.X波段雷達(dá)圖像提取海洋表面風(fēng)場.海洋技術(shù)，2010，29 (3) :5-8頁)和參考文獻(xiàn)[2] (Dankert H, Horstmann J, Rosenthal ff. Ocean surface winds retrieved frommarine radar image sequences. International Geosciences and Remote SensingSymposium, 2004，3 1903-1906P)，現(xiàn)有的BCM模型海面風(fēng)場反演技術(shù)包含以下幾個(gè)步驟步驟I、建立光流方程。假設(shè)短時(shí)間內(nèi)圖像灰度值不變，即滿足下式G (X+f, t+ A t) = G(X, t)式中，G(X,t)為圖像灰度值；X= [x,y]T為圖像空間坐標(biāo)；f = [u,v]T為光流；U、v為光流分量；At為兩幅圖的時(shí)間間隔。上述的方程為非線性方程，為簡化運(yùn)算，常常將上述的方程按照一階泰勒公式展開，令A(yù)t — 0，取極限并略去高階項(xiàng)可得到基本約束方程，如下式Gxu+Gyv+Gt = 0式中，G1 = dG/dx ,Gy = SG/+為灰度空間變化率，G1 = dG/dt為灰度時(shí)間變化率。上式可簡寫為Gf+g = 0式中，G = (Gx,Gy)為灰度值空間導(dǎo)數(shù)；f = (u,v)為光流；g = Gt為灰度時(shí)間變化率；該式即為光流方程。光流方程表明海雜波圖像中某一點(diǎn)的灰度時(shí)間變化率的大小是灰度空間導(dǎo)數(shù)與該點(diǎn)空間運(yùn)動(dòng)速度的乘積。步驟2、應(yīng)用加權(quán)最小二乘法求解光流方程，求取準(zhǔn)則是J (f) = (Gf+g) tW (Gf+g) = min式中，W是適當(dāng)取值的正定加權(quán)矩陣。要使上述的求取準(zhǔn)則方程成立，f應(yīng)滿足^ = GTW(Gf + g) + [(Gf + gfWGf = 0從中解得
f = [Gt (ff+ffT) G] ^1Gt (ff+ffT) g一般情況下，正定加權(quán)矩陣W取對稱陣，即W = Wt,所以加權(quán)最小二乘估計(jì)為f = - (GtWG) ^1G1Wg為提高計(jì)算精度，取正定加權(quán)矩陣W為Sobel算子B。G1BGf = -G1Bg將上式展開
'SG][SG'
D dx「aG ^GITm] dx SGB— — =~B Pir ~T
dG dx Dy vdG dt
DyDy
\dG dG dG DGT1 [dG dGl
D---D---B---
「 I Udx dx dx dydx dt
L 」v dG dG dG dG ^dG dGB---B----D----—
dy dx 辦辦」L辦沒_ 記為如下形式
r n 「m"|BG-GvV [BGx-GiI
「00291=- 、xJ x y x 1
L J [vj [BGy-Gx B(Gyf \ [BGy-Gt_ 假設(shè)在小鄰域U內(nèi)光流是常量，U內(nèi)的像素點(diǎn)構(gòu)成集合為(G1, G2, ...，GJ，運(yùn)用加權(quán)最小—乘估計(jì)，此時(shí)有
'DG1 BG2 dGn~
廠r 辦辦dx =么么，Sgl
_ Sy Sy &」~dT ... ~dT那么光流分量的計(jì)算公式為
r n [ YjBiGic f YjBGic -G1J [YjBGic. GitM = - :=1':1
卜」YjBG6l-Giy YjB(Giy )2 ^BGiy-Gtt _ /=1/=1」U=I_式中
O*步驟3、應(yīng)用直方圖統(tǒng)計(jì)得到的光流場，最大值即為主風(fēng)向或主風(fēng)速。上述的反演方法中，由于海雜波圖像序列具有較強(qiáng)的非線性，應(yīng)用BCM模型計(jì)算海面風(fēng)場會(huì)存在較大誤差。

發(fā)明內(nèi)容
為提高應(yīng)用X波段航海雷達(dá)測量海面風(fēng)場的測量精度，本發(fā)明公布了基于圖像梯度、灰度不變模型(BGCM)能量函數(shù)的海面風(fēng)場測量方法。所述的海面風(fēng)場測量方法包含三部分雷達(dá)圖像前處理、風(fēng)向測量和風(fēng)速測量，所述的風(fēng)向測量具體步驟如下令I(lǐng) (X)表示三維海雜波圖像序列，X = [X, Y，t]T，[x, y]是空間區(qū)域Q內(nèi)坐標(biāo)，t彡0代表時(shí)間序列，w = [u, V, I]表示t時(shí)刻圖像與t+1時(shí)刻圖像間光流，U、V分別為光流的x，y分量，首先給出兩種假設(shè)假設(shè)I :在圖像時(shí)間間隔內(nèi)，假設(shè)圖像灰度不變，那么灰度值滿足下式
VXe Q: \I{X + w)-I{Xf = 0(35)其圖像能量函數(shù)如式(36)Em (w) = f 叫(11 (X+w) -I ⑴ 12) dX(36)式中，￥(s2)= ^s2 +s2，e = 10 3為魯棒函數(shù),具有穩(wěn)健性并抑制異常點(diǎn)；假設(shè)2 :當(dāng)風(fēng)場均勻變化或恒定時(shí)，此時(shí)雷達(dá)圖像梯度不變，即VXeQ-.\VI(X + w)- V/(X)|2 = 0(37)其圖像能量函數(shù)滿足下式ED2(w) = [/(|W(X + ^)- VI(Xf)dX(3 8)
式中，V I= (Ix, Iy)T為圖像空間導(dǎo)數(shù)，W(JQ為當(dāng)前圖像的空間導(dǎo)數(shù)，W(X + *v)為下時(shí)刻圖像的空間導(dǎo)數(shù)，圖像空間導(dǎo)數(shù)由二維最優(yōu)化Sobel算子求得；將式(36)、(38)模型有機(jī)的結(jié)合起來，得到數(shù)據(jù)項(xiàng)能量函數(shù)，如式(39)Ed(w) = Edi (w) + a Ed2 (w) (39)式(39)中，a調(diào)節(jié)Em與Ed2的比重系數(shù)；當(dāng)上述兩種假設(shè)不成立時(shí)，根據(jù)式(36)、(38)及(39)構(gòu)造的基于BGCM模型的能量函數(shù)如下式E(w) = Edi (w) + a Ed2 (W) + 3 Es (w) (41)式中，0為平滑項(xiàng)調(diào)節(jié)系數(shù)，a、^值滿足下式
_] j 10, ,20 (42) 使用正則化方法求解光流W，光流w為下式的解
'SE(W) _ dEm(w) | JEm(W) | ^dEs(W) _Q I dudududu
dE(w) dEm(w) | dEm(w) | dEs(w) Q(43)為公式表達(dá)方便，給出如下形式的簡寫Ix=dxI{X + w)Iy=dyI{X+w)Iz = I (X+w) -I (X)Ixx=DJiX+ w)ixy=8xyI(X+ w)(44)Iyy=dyyI{X+w)Ixz=dxI{X + w)-dxI{X)Iyz=SyIiX+w)-dyI{X)求解式(43)得到歐拉-拉格朗日方程組如下式1K此 + O. Q1 丄 +IyJxy) +f)div(W^\W,u\2 +|V3v|2).V3M) = 0(的)
I1K1CO'"y+0.(4人 +Iyj ) + f)div(^(\v4 +|v3v|2).v3v) = o應(yīng)用迭代法求解歐拉-拉格朗日非線性方程組，計(jì)算光流W ;假設(shè)第k步迭代時(shí)，光流Wk = [uk,vk, 1]T，令迭代初始條件《° =
T;將式(44)表示為U ;為消除f的非線性，根據(jù)泰勒公式，用一階近似得下式Il*1 =I,{X +wk+l)~ I,{X)
I,{X +wk) + Ilxduk + Ik,ydvk -L(X) (46)= Itz + Iiduk + llydvh為公式表達(dá)方便，令7V =(IxJyJz)TS=IvI/(47)T = IvJX經(jīng)局部線性化后式(45)變?yōu)椤?(S^duk +S^dvk +S^ + aW'^iT^du +T^dvk +T11I) + ^div{W'sV{u + du)) = 0^ . (S^duh + Sk22dvk + Skn) + a W* (T1lIduk + T^dvk + T2\) + pdivQFpiv11 +dvk)) = 0(48)式中d := lFXidulc, dv\l)T SlcIdulcJvlc,!))%k2 := lF'{{duk,dvk,\)TTk{duk,dvk,\))(49)lFf :=f (|v<y +duk)\2 +|V(v4 +dvk)[)·
對式(48)非線性系統(tǒng)進(jìn)行離散化；第k次迭代時(shí)，離散化時(shí)的一些參數(shù)k為迭代次數(shù);圖像總數(shù)目為m ;像素大小 < ;圖像I (X+wk)中，像素集合{illNk為總像素點(diǎn)數(shù)；光流增量duk，dvk;在I方向上鄰域隊(duì)(1)，1 G {x，y};經(jīng)離散化后式(48)變?yōu)橄率終i .Of +S^ + aniiTuA- +T1IM +T1D
r n^ ^ lPsi +lPsi Uki +du) - U^ -du^ ,、+Al 2 , j -~TTTTTL = 0 (50)
I=X^jeNl(I)LKnI )K-iS^M +Sk11M +S^ + ani^du- + W +TL)
^ ^ lFlk +1F'11 vk +dvk -vk -dvk+PY. 2 7 -~77T-2L=0
I=X^yjeNlH) 1V1I )為求解式(50)，需要經(jīng)過兩次迭代過程，迭代2過程嵌入在迭代I過程中，具體如下(I)迭代初始化，令光流分量和光流增量均為零，即(u°，V0) = (0,0), (du0, dv°)=(0,0)；(2)根據(jù)下式求解光流增量Knt11I = K'" Mkf] 1KI(51)
{dvk-"+1) IvM2*;" Mk22") {rvk-")v ,式中，duk’ n, dvk’n為第k次迭代I、第n次迭代2時(shí)的光流增量，Mku"MgMKruk’n，rvk’nS義如下MklC =+aW^f +(SJ^ X
I=X^jeNl(X) l^hI )Mk22" =+ <2力;+d H(52)
I=X^jeNl(X) l^hI )Mf2" = K;"S=
,…，… ^ ^ W'f-n+W'f-n Uki+du11；1-^-^S^-aW^+fS^ X 9 1] (hL
l=x,y jeN~(02^nl )
權(quán)利要求
1. 一種基于X波段航海雷達(dá)的海面風(fēng)場測量方法，其特征在于所述的測量方法包括雷達(dá)圖像的前處理、風(fēng)向測量和風(fēng)速測量三部分內(nèi)容，所述的風(fēng)向測量具體步驟如下 令I(lǐng) (X)表示三維海雜波圖像序列，X = [x，y，t]T, [x,y]是空間區(qū)域Ω內(nèi)坐標(biāo)，t彡O代表時(shí)間序列，w = [u, V, I]表示t時(shí)刻圖像與t+Ι時(shí)刻圖像間光流,u、v分別為光流的X,y分量，首先給出兩種假設(shè) 假設(shè)I :在圖像時(shí)間間隔內(nèi)，假設(shè)圖像灰度不變，那么灰度值滿足下式 /ΧεΩ·. \I{X + w) _ 7(X)|2 = 0 (3 5) 其圖像能量函數(shù)如式(36)Em (w) = / Ω Ψ (11 (X+w) -I ⑴ 12) dX (36) 式中，^^ = #77，ε = 10_3為魯棒函數(shù)，具有穩(wěn)健性并抑制異常點(diǎn)； 假設(shè)2 :當(dāng)風(fēng)場均勻變化或恒定時(shí)，此時(shí)雷達(dá)圖像梯度不變，即 VX e Ω: \VI(X + w) - W(X)|2 =O (37) 其圖像能量函數(shù)滿足下式 Ed2(W) = \ψφ {Χ+w)- VI{X)\2W(3 8 式中，▽/ = (/ノブ為圖像空間導(dǎo)數(shù)，為當(dāng)前圖像的空間導(dǎo)數(shù)，W(X +め為下時(shí)刻圖像的空間導(dǎo)數(shù)，圖像空間導(dǎo)數(shù)由ニ維最優(yōu)化Sobel算子求得； 將式(36)、(38)模型有機(jī)的結(jié)合起來，得到數(shù)據(jù)項(xiàng)能量函數(shù)，如式(39)Ed (w) = Edi (w) + a Ed2 (w) (39) 式(39)中，α調(diào)節(jié)Em與Ed2的比重系數(shù)； 當(dāng)上述兩種假設(shè)不成立時(shí)，根據(jù)式(36)、(38)及(39)構(gòu)造的基于BGCM模型的能量函數(shù)如下式E (w) = Edi (w) + a Ed2 (W) + β Es (w) (41) 式中，β為平滑項(xiàng)調(diào)節(jié)系數(shù)，α β值滿足下式 |10<^/ <20 (42) I 10<α<20 、 ' 使用正則化方法求解光流W，光流W為下式的解
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于X波段航海雷達(dá)的海面風(fēng)場測量方法，其特征在于所述的雷達(dá)圖像的前處理通過如下步驟實(shí)現(xiàn) 第一步，雷達(dá)圖像方位和角度校正，以及應(yīng)用中值濾波器抑制噪聲； 所述的雷達(dá)圖像方位和角度校正就是要消除方位和角度對回波強(qiáng)度的影響；所述的中值濾波器抑制噪聲就是應(yīng)用相鄰像素的灰度中值來替代該像素的灰度值
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于X波段航海雷達(dá)的海面風(fēng)場測量方法，其特征在于所述的主導(dǎo)波數(shù)根據(jù)下面方法確定 將濾波后海浪圖像譜F(3)(k，co)按波數(shù)角度進(jìn)行積分，得到二維波數(shù)模頻率域海浪圖像譜I(2)(|k|，《)，如下式
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于X波段航海雷達(dá)的海面風(fēng)場測量方法，其特征在于所述的步驟4. 2具體通過如下步驟實(shí)現(xiàn) 首先，根據(jù)濾波后海浪圖像譜F(3)(k，co)和信噪比snr計(jì)算海浪譜總能量P，如下式
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于X波段航海雷達(dá)的海面風(fēng)場測量方法，其特征在于所述的步驟4. 3構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)的具體步驟為 (1)、計(jì)算海浪譜if#, )； 應(yīng)用調(diào)制傳遞函數(shù)MTF對三維波數(shù)頻率圖像譜進(jìn)行非線性校正，得到海浪譜, MTF定義如下式 MTF = |k|e (17) MTF校正方法如下式
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于X波段航海雷達(dá)的海面風(fēng)場測量方法，其特征在于BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下 輸入層包含三個(gè)神經(jīng)元雷達(dá)散射截面NRCS、實(shí)測風(fēng)向0和海浪的信噪比snr，其中海浪信噪比snr計(jì)算公式如下
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于X波段航海雷達(dá)的海面風(fēng)場測量方法，屬于海洋動(dòng)力環(huán)境遙感技術(shù)領(lǐng)域。所述的測量方法包含雷達(dá)圖像前處理、風(fēng)向測量和風(fēng)速測量三部分，在風(fēng)向測量指標(biāo)中，將圖像梯度、灰度和平滑項(xiàng)有機(jī)的結(jié)合起來，通過比例系數(shù)調(diào)節(jié)三者的比重，建立適合海面風(fēng)場特征的模型，與現(xiàn)有技術(shù)相比，風(fēng)向測量精度提高了68.4％以上。在風(fēng)速測量指標(biāo)中，當(dāng)雷達(dá)單獨(dú)測量時(shí)，將NRCS、實(shí)測風(fēng)向、SNR作為BP網(wǎng)絡(luò)輸入，較傳統(tǒng)算法風(fēng)速精度提高了84％以上。在風(fēng)速測量指標(biāo)中，將海氣邊界層參數(shù)作為BP網(wǎng)絡(luò)的附加輸入，可進(jìn)一步提高航海雷達(dá)測量風(fēng)速的精度，考慮海氣溫差、鹽度、潮位、大氣壓時(shí)，測量精度提高了48％以上。
文檔編號(hào)G01W1/02GK102681033SQ20121012850
公開日2012年9月19日 申請日期2012年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月27日
發(fā)明者劉利強(qiáng), 盧志忠, 戴運(yùn)桃, 賈瑞才 申請人:哈爾濱工程大學(xué)