本發(fā)明涉及無線電的遙感技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及水面狀態(tài)連續(xù)成像系統(tǒng)的水面遙感技術(shù)領(lǐng)域，具體是指一種基于水面狀態(tài)連續(xù)成像系統(tǒng)的小波浪浪高提取方法。

背景技術(shù)：

水面狀態(tài)包括湖面、海面以及河面狀態(tài)，隨著科技的發(fā)展和人類對(duì)新能源、遠(yuǎn)洋的探索興趣和需求的增大，對(duì)湖面、河面以及海面的狀態(tài)遙感技術(shù)也日漸成為科學(xué)家們的研究熱點(diǎn)。

以x波段雷達(dá)海浪遙感觀測(cè)為例，目前，傳統(tǒng)的海上x波段導(dǎo)航雷達(dá)被廣泛應(yīng)用于對(duì)海面的遙感探測(cè)，所謂x波段雷達(dá)(xbandradar，簡(jiǎn)寫為xbr)是對(duì)火控、目標(biāo)跟蹤雷達(dá)的統(tǒng)稱，其發(fā)出的波長(zhǎng)在3厘米以下，該雷達(dá)能夠360度旋轉(zhuǎn)偵查各個(gè)方向的目標(biāo)。

隨著全世界范圍內(nèi)對(duì)海洋重視程度的與日俱增，海洋監(jiān)測(cè)能力逐步成為了各個(gè)國家實(shí)力的直接體現(xiàn)，對(duì)海洋環(huán)境實(shí)現(xiàn)全方位、多手段的立體監(jiān)測(cè)，可以使人類及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握海洋自身運(yùn)動(dòng)變化的規(guī)律，以滿足軍事和民用兩方面的需求。海洋參數(shù)的提取與分析對(duì)港口安全、海洋氣候研究、海洋資源開發(fā)、海洋軍事等有著廣泛的意義。海洋參數(shù)主要包含浪高、浪周期、浪向等這些與海浪有著直接以及直觀聯(lián)系的數(shù)值信息，而浪高也稱為波高，指的是海浪相鄰的波峰和波谷間的垂直距離。雷達(dá)觀測(cè)浪高主要為有效浪高，它表示為將波列中的波高由大到小依次排列，其中最大的1/3波高部分的平均值。作為高效的海洋觀測(cè)方式之一，x波段雷達(dá)以其高時(shí)空分辨率、輕便靈巧、市場(chǎng)占有率高等特點(diǎn)逐步成為了一種重要的主動(dòng)式海洋遙感手段。x波段電波在隨機(jī)粗糙海面?zhèn)鞑r(shí)會(huì)與海浪產(chǎn)生散射作用，x波段雷達(dá)接收后向散射回波，能夠從回波信號(hào)獲取海流、海浪等海洋參數(shù)。

目前利用x波段雷達(dá)來提取浪高主要步驟如下：對(duì)x波段雷達(dá)接收的水面波浪散射電磁波圖像序列進(jìn)行三維傅里葉分析，得到頻域回波圖像譜；利用圖像譜得到表面流信息，并且通過所得流速與流向信息構(gòu)造帶通濾波器來得到濾除非波浪信號(hào)后的圖像譜，并且利用調(diào)制傳遞函數(shù)得到波浪譜；根據(jù)波浪譜計(jì)算信噪比(signaltonoiseratio)：波浪與噪聲信號(hào)成分比值；最后基于信噪比的線性模型來對(duì)浪高進(jìn)行提取。而由于雷達(dá)是對(duì)水面進(jìn)行遙感測(cè)量，雷達(dá)對(duì)水面連續(xù)成像所得到的圖像時(shí)間序列是波浪運(yùn)動(dòng)形式的體現(xiàn)，因此利用采集到的圖像序列可以提取各種波浪參數(shù)。而雷達(dá)成像質(zhì)量取決于水面反射的回波信號(hào)，由于低海況條件下的水面對(duì)電磁波信號(hào)后向散射能力差，此時(shí)水面微弱粗糙度基本上不滿足x波段雷達(dá)波浪參數(shù)反演要求。為了保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度以及連續(xù)性，對(duì)于水平極化x波段雷達(dá)，通常浪高低于1m而且水表面風(fēng)速小于3m/s時(shí)的雷達(dá)回波均被視為無效數(shù)據(jù)而舍棄。雖然低海況條件下浪高小于1m時(shí)對(duì)水上交通或者工程影響較小，但很多水波物理現(xiàn)象的出現(xiàn)與微風(fēng)條件下的小波浪運(yùn)動(dòng)息息相關(guān)，雷達(dá)具有在低海況條件下的浪高觀測(cè)能力對(duì)小波浪運(yùn)動(dòng)的研究具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，直接從水面回波時(shí)域信號(hào)出發(fā)，提供了一種基于水面狀態(tài)連續(xù)成像系統(tǒng)的小波浪浪高提取方法。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的基于水面狀態(tài)連續(xù)成像系統(tǒng)的小波浪浪高提取方法具體如下：

該基于水面狀態(tài)連續(xù)成像系統(tǒng)的小波浪浪高提取方法，其主要特點(diǎn)是，所述的提取方法包括以下步驟：

(1)通過水面狀態(tài)連續(xù)成像系統(tǒng)采集探測(cè)區(qū)域中的波浪的回波，并對(duì)探測(cè)區(qū)域中的波浪的回波進(jìn)行采樣成像，組成n幀回波圖像序列；

(2)對(duì)所述的n幀回波圖像序列中的像素點(diǎn)幅值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，確定常高波浪回波滿足的威布爾分布模型的形狀參數(shù)k和尺度參數(shù)λ；

(3)根據(jù)所述的形狀參數(shù)k和尺度參數(shù)λ獲取常高波浪回波滿足的威布爾分布峰度γ2normal，并根據(jù)所述的常高波浪回波滿足的威布爾分布峰度γ2normal與所述的水面狀態(tài)連續(xù)成像系統(tǒng)獲取的小波浪回波峰度γ2獲取兩者的偏差δγ；

(4)計(jì)算所述的水面狀態(tài)連續(xù)成像系統(tǒng)得到的小波浪回波紋理視在特性比str；

(5)根據(jù)所述的小波浪回波峰度偏差δγ和所述的小波浪回波紋理視在特性比str，獲取小波浪浪高提取模型中的浪高因子ψγ；

(6)通過定點(diǎn)水面浪高觀測(cè)設(shè)備獲取小波浪浪高數(shù)據(jù)，并對(duì)所述的小波浪浪高數(shù)據(jù)與所述的浪高因子ψγ進(jìn)行線性擬合，獲取小波浪浪高提取模型的經(jīng)驗(yàn)校正常數(shù)，從而獲取小波浪浪高提取模型。

較佳地，所述的n的取值為2^m，且m為正整數(shù)。

更佳地，所述的m大于等于5，且小于等于8。

較佳地，浪高高于0.7m的波浪為常高波浪，浪高低于0.7m的波浪為小波浪，所述的步驟(2)具體為：

通過對(duì)所述的n幀回波圖像序列中的像素點(diǎn)幅值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析確定常高波浪回波滿足的威布爾分布模型的形狀參數(shù)k和尺度參數(shù)λ，其中所述的形狀參數(shù)k為1.4，尺度參數(shù)λ為0.4。

更佳地，所述的步驟(3)具體為：

根據(jù)所述的形狀參數(shù)k和尺度參數(shù)λ確定常高波浪回波滿足的威布爾分布峰度γ2normal＝0.8379，并根據(jù)所述的常高波浪回波滿足的威布爾分布峰度γ2normal與所述的水面狀態(tài)連續(xù)成像系統(tǒng)獲取的小波浪回波峰度γ2獲取兩者的偏差δγ。

尤佳地，根據(jù)所述的常高波浪回波滿足的威布爾分布峰度γ2normal與所述的水面狀態(tài)連續(xù)成像系統(tǒng)獲取的小波浪回波峰度γ2獲取兩者的偏差δγ具體為：

δγ＝|γ2-γ2normal|＝γ2-0.8379|；

其中，所述的γ2為所述的水面狀態(tài)連續(xù)成像系統(tǒng)獲取的小波浪回波峰度，所述的γ2normal為所述的常高波浪回波滿足的威布爾分布峰度；δγ為所述的常高波浪回波滿足的威布爾分布峰度γ2normal與小波浪回波峰度γ2的偏差。

甚佳地，所述的步驟(5)中獲取小波浪浪高提取模型中的浪高因子ψγ具體為：

根據(jù)以下公式獲取所述的浪高因子ψγ：

其中，ψγ為所述的小波浪浪高提取模型的浪高因子；γ2為所述的水面狀態(tài)連續(xù)成像系統(tǒng)獲取的小波浪回波峰度；str為所述的小波浪回波紋理視在特性比。

較佳地，所述的步驟(6)具體為：

通過所述的定點(diǎn)水面浪高觀測(cè)設(shè)備獲取所述的小波浪浪高數(shù)據(jù)，并采用最小二乘法對(duì)所述的小波浪浪高數(shù)據(jù)與浪高因子進(jìn)行線性擬合，以獲取所述的小波浪浪高提取模型的經(jīng)驗(yàn)校正常數(shù)。

更佳地，所述的定點(diǎn)水面浪高觀測(cè)設(shè)備包括浮標(biāo)。

較佳地，所述的水面狀態(tài)連續(xù)成像系統(tǒng)可為x波段雷達(dá)系統(tǒng)、紅外以及可見光成像系統(tǒng)。

采用了該發(fā)明中的基于水面狀態(tài)連續(xù)成像系統(tǒng)的小波浪浪高提取方法，由于其利用水面狀態(tài)連續(xù)成像系統(tǒng)對(duì)水面狀態(tài)進(jìn)行連續(xù)成像，從波浪的時(shí)域信號(hào)出發(fā)，將實(shí)測(cè)水面回波紋理視在特性比與利用推導(dǎo)結(jié)果得到的峰度計(jì)算值相結(jié)合后與現(xiàn)場(chǎng)定點(diǎn)觀測(cè)設(shè)備浪高值進(jìn)行線性擬合得到經(jīng)驗(yàn)校正常數(shù)，進(jìn)而得到了小波浪浪高提取模型。采用本發(fā)明中的技術(shù)方案，能夠很好的對(duì)湖面/海面/河面的波浪狀態(tài)進(jìn)行分析，本發(fā)明的核心就在于基于水面連續(xù)成像系統(tǒng)對(duì)小波浪浪高進(jìn)行提取，整個(gè)發(fā)明實(shí)用性強(qiáng)，且適用性廣，不僅適用于岸基水面狀態(tài)連續(xù)成像系統(tǒng)，還適用于船載水面狀態(tài)連續(xù)成像系統(tǒng)，并且能夠?qū)崟r(shí)、快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定的提取小波浪浪高，解決了傳統(tǒng)基于水面狀態(tài)連續(xù)成像系統(tǒng)的小波浪浪高無法提取的問題。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的基于水面狀態(tài)連續(xù)成像系統(tǒng)的小波浪浪高提取方法中利用水面狀態(tài)連續(xù)成像系統(tǒng)采集的波浪回波圖像序列示意圖。

圖2為本發(fā)明的基于水面狀態(tài)連續(xù)成像系統(tǒng)的小波浪浪高提取方法中常高波浪回波幅值分布與威布爾概率密度擬合示意圖。

圖3為本發(fā)明的基于水面狀態(tài)連續(xù)成像系統(tǒng)的小波浪浪高提取方法中小波浪回波幅值分布與威布爾概率密度擬合示意圖。

圖4為本發(fā)明的基于水面狀態(tài)連續(xù)成像系統(tǒng)的小波浪浪高提取方法的方法流程示意圖。

具體實(shí)施方式

為了能夠更清楚地描述本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，下面結(jié)合具體實(shí)施例來進(jìn)行進(jìn)一步的描述。

該基于水面狀態(tài)連續(xù)成像系統(tǒng)的小波浪浪高提取方法，包括以下步驟：

(1)通過水面狀態(tài)連續(xù)成像系統(tǒng)采集探測(cè)區(qū)域中的波浪的回波，并對(duì)探測(cè)區(qū)域中的波浪的回波進(jìn)行采樣成像，組成n幀回波圖像序列；

(2)對(duì)所述的n幀回波圖像序列中的像素點(diǎn)幅值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，確定常高波浪回波滿足的威布爾分布模型的形狀參數(shù)k和尺度參數(shù)λ；

(3)根據(jù)所述的形狀參數(shù)k和尺度參數(shù)λ獲取常高波浪回波滿足的威布爾分布峰度γ2normal，并根據(jù)所述的常高波浪回波滿足的威布爾分布峰度γ2normal與所述的水面狀態(tài)連續(xù)成像系統(tǒng)獲取的小波浪回波峰度γ2獲取兩者的偏差δγ；

(4)計(jì)算所述的水面狀態(tài)連續(xù)成像系統(tǒng)得到的小波浪回波紋理視在特性比str；

(5)根據(jù)所述的小波浪回波峰度偏差δγ和所述的小波浪回波紋理視在特性比str，獲取小波浪浪高提取模型中的浪高因子ψγ；

(6)通過定點(diǎn)水面浪高觀測(cè)設(shè)備獲取小波浪浪高數(shù)據(jù)，并對(duì)所述的小波浪浪高數(shù)據(jù)與所述的浪高因子ψγ進(jìn)行線性擬合，獲取小波浪浪高提取模型的經(jīng)驗(yàn)校正常數(shù)，從而獲取小波浪浪高提取模型。

在一種較佳的實(shí)施例中，所述的n的取值為2^m，且m為正整數(shù)。

在一種更佳的實(shí)施例中，所述的m大于等于5，且小于等于8。

通常地，浪高高于0.7m的波浪為常高波浪，浪高低于0.7m的波浪為小波浪，所述的步驟(2)具體為：

通過對(duì)所述的n幀回波圖像序列中的像素點(diǎn)幅值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析確定常高波浪回波滿足的威布爾分布模型的形狀參數(shù)k和尺度參數(shù)λ，其中所述的形狀參數(shù)k為1.4，尺度參數(shù)λ為0.4。

在一種更佳的實(shí)施方式中，所述的步驟(3)具體為：

根據(jù)所述的形狀參數(shù)k和尺度參數(shù)λ確定常高波浪回波滿足的威布爾分布峰度γ2normal＝0.8379，并根據(jù)所述的常高波浪回波滿足的威布爾分布峰度γ2normal與所述的水面狀態(tài)連續(xù)成像系統(tǒng)獲取的小波浪回波峰度γ2獲取兩者的偏差δγ。

在一種尤佳的實(shí)施方式中，根據(jù)所述的常高波浪回波滿足的威布爾分布峰度γ2normal與所述的水面狀態(tài)連續(xù)成像系統(tǒng)獲取的小波浪回波峰度γ2獲取兩者的偏差δγ具體為：

δγ＝|γ2-γ2normal|＝γ2-0.8379|；

其中，所述的γ2為所述的水面狀態(tài)連續(xù)成像系統(tǒng)獲取的小波浪回波峰度，所述的γ2normal為所述的常高波浪回波滿足的威布爾分布峰度；δγ為所述的常高波浪回波滿足的威布爾分布峰度γ2normal與小波浪回波峰度γ2的偏差。

在一種甚佳的實(shí)施方式中，所述的步驟(5)中獲取小波浪浪高提取模型中的浪高因子ψγ具體為：

根據(jù)以下公式獲取所述的浪高因子ψγ：

其中，ψγ為所述的小波浪浪高提取模型的浪高因子；γ2為所述的水面狀態(tài)連續(xù)成像系統(tǒng)獲取的小波浪回波峰度；str為所述的小波浪回波紋理視在特性比。

在一種較佳的實(shí)施方式中，所述的步驟(6)具體為：

通過所述的定點(diǎn)水面浪高觀測(cè)設(shè)備獲取所述的小波浪浪高數(shù)據(jù)，并采用最小二乘法對(duì)所述的小波浪浪高數(shù)據(jù)與浪高因子進(jìn)行線性擬合，以獲取所述的小波浪浪高提取模型的經(jīng)驗(yàn)校正常數(shù)。

在一種具體的實(shí)施方式中，所述的定點(diǎn)水面浪高觀測(cè)設(shè)備包括浮標(biāo)，所述的水面狀態(tài)連續(xù)成像系統(tǒng)可為x波段雷達(dá)系統(tǒng)、紅外以及可見光成像系統(tǒng)。

請(qǐng)參閱圖4，在一種具體實(shí)施例中，該水面狀態(tài)連續(xù)成像系統(tǒng)為一x波段雷達(dá)時(shí)，不同機(jī)型的x波段雷達(dá)機(jī)型均適用，在對(duì)低海況小波浪浪高進(jìn)行提取時(shí)，所述的提取方法具體包括以下步驟：

(1)請(qǐng)參閱圖1，通過x波段雷達(dá)采集n幀回波圖像序列，首先x波段雷達(dá)對(duì)連續(xù)采集的回波進(jìn)行采樣以及成像，組成n幀回波圖像序列，且通常n的取值為2^m，m的值通常是大于等于5、小于等于8的正整數(shù)，且該n幀回波圖像序列在水平方向與垂直方向上的像素點(diǎn)數(shù)通常取2ⁿ，n的值通常也是大于等于5、小于等于8的正整數(shù)，圖像距離單元分辨率通常為7.5m，也即每個(gè)圖像像素點(diǎn)大小為7.5×7.5m²。圖像序列示意圖如圖1所示，圖中的δt為連續(xù)兩幀圖像之間的時(shí)間間隔(也即x波段雷達(dá)的天線轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間)。

(2)請(qǐng)參閱圖2和圖3，計(jì)算威布爾分布峰度，通過大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，常高波浪的回波幅值符合威布爾分布，而峰度是表面高度的分布曲線偏離正態(tài)分布的嚴(yán)重程度，根據(jù)峰度的定義，可以將峰度概念擴(kuò)展至威布爾分布，進(jìn)而可以得到能體現(xiàn)概率分布曲線偏離威布爾分布的峰度值。峰度定義如下：

式中，e(x)與var(x)分別為樣本x的均值與方差。令b＝λ^(-k)，則上式可以改寫為：

f(x；k,b)＝bkx^k-1exp(-bx^k)x≥0；

樣本均值：

樣本方差：

因此可以推導(dǎo)得到威布爾分布峰度計(jì)算結(jié)果如下：

其中伽瑪函數(shù)定義如下：

根據(jù)大量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，海浪回波強(qiáng)度通常滿足形狀參數(shù)k為1.4、尺度參數(shù)λ為0.4的威布爾分布，因此將形狀參數(shù)k＝1.4帶入威布爾分布峰度計(jì)算式，得出正常海況下滿足威布爾分布的海浪回波強(qiáng)度的峰度為0.8379。

(3)計(jì)算回波紋理視在特性比str，水面狀態(tài)連續(xù)成像系統(tǒng)得到的回波紋理視在特性比str定義如下

式中，str是對(duì)表面紋理特性的描述，sfd為反映輪廓紋理的排列規(guī)則的最快下降自相關(guān)長(zhǎng)度，ssd為對(duì)應(yīng)的最慢下降自相關(guān)長(zhǎng)度。sfd與ssd定義分別如下：

式中，naf為標(biāo)準(zhǔn)化自相關(guān)函數(shù)(normalizedautocorrelationfunction)：

上式中，1-m≤τx≤m-1；1-n≤τy≤n-1，τx,τy為整數(shù)，sfd定義為naf最快衰減到0.2的距離，ssd定義為naf最慢衰減到0.2的距離。

(4)得到小波浪浪高提取模型，由于峰度計(jì)算結(jié)果體現(xiàn)了x波段雷達(dá)探測(cè)到的海面小波浪回波圖像序列的灰度直方圖偏離威布爾分布的程度以及尖峭程度，同時(shí)小波浪的回波紋理視在特性比是用于描述表面紋理特性的空間參數(shù)，它代表著小波浪回波表面的紋理方向強(qiáng)度，因此，建立x波段雷達(dá)探測(cè)到的小波浪浪高提取模型如下：

hs＝a+b·ψγ；

其中，hs是小波浪浪高，a、b為由小波浪的不同雷達(dá)、不同探測(cè)環(huán)境確定的經(jīng)驗(yàn)校正常數(shù)。ψγ為小波浪的浪高因子，根據(jù)之前分析，定義ψγ表達(dá)式如下：

其中，str為x波段雷達(dá)探測(cè)到的小波浪的回波紋理視在特性比，|γ2-0.8379|為雷達(dá)探測(cè)到的小波浪的回波圖像序列灰度直方圖峰度γ2與常高波浪下滿足威布爾分布的水面回波圖像序列灰度直方圖峰度γ2normal的偏差量δγ。由ψγ的定義可知，當(dāng)ψγ越大時(shí)，海況或者水面起伏越低，此時(shí)水面浪高也越小。

(5)計(jì)算小波浪浪高，當(dāng)定點(diǎn)水面浪高觀測(cè)設(shè)備或者傳統(tǒng)雷達(dá)觀測(cè)的浪高結(jié)果低于某一閾值時(shí)(如0.7m)，此時(shí)水面的微弱粗糙度基本上不滿足傳統(tǒng)x波段雷達(dá)浪高反演要求，可以利用上述x波段雷達(dá)探測(cè)下小波浪的浪高反演模型(即小波浪浪高提取模型)來對(duì)小波浪浪高進(jìn)行提取。

采用了該發(fā)明中的基于水面狀態(tài)連續(xù)成像系統(tǒng)的小波浪浪高提取方法，由于其利用水面狀態(tài)連續(xù)成像系統(tǒng)對(duì)水面狀態(tài)進(jìn)行連續(xù)成像，從波浪的時(shí)域信號(hào)出發(fā)，將實(shí)測(cè)水面回波紋理視在特性比與利用推導(dǎo)結(jié)果得到的峰度計(jì)算值相結(jié)合后與現(xiàn)場(chǎng)定點(diǎn)觀測(cè)設(shè)備浪高值進(jìn)行線性擬合得到經(jīng)驗(yàn)校正常數(shù)，進(jìn)而得到了小波浪浪高提取模型。采用本發(fā)明中的技術(shù)方案，能夠很好的對(duì)湖面/海面/河面的波浪狀態(tài)進(jìn)行分析，本發(fā)明的核心就在于基于水面連續(xù)成像系統(tǒng)對(duì)小波浪浪高進(jìn)行提取，整個(gè)發(fā)明實(shí)用性強(qiáng)，且適用性廣，不僅適用于岸基水面狀態(tài)連續(xù)成像系統(tǒng)，還適用于船載水面狀態(tài)連續(xù)成像系統(tǒng)，并且能夠?qū)崟r(shí)、快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定的提取小波浪浪高，解決了傳統(tǒng)基于水面狀態(tài)連續(xù)成像系統(tǒng)的小波浪浪高無法提取的問題。

在此說明書中，本發(fā)明已參照其特定的實(shí)施例作了描述。但是，很顯然仍可以作出各種修改和變換而不背離本發(fā)明的精神和范圍。因此，說明書和附圖應(yīng)被認(rèn)為是說明性的而非限制性的。