[发明专利]一种基于X波段雷达图像的海表面流反演方法

权利要求书

1.一种基于X波段雷达图像的海表面流反演方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)雷达工作在短脉冲模式，连续采集时间长度为t的N幅空间域海杂波连续图像作为一个序列，然后选取分析区域构成子图像序列I⁽³⁾(x，y，t)；

(2)对子图像序列进行三维傅里叶变换得到三维波数频率图像谱F⁽³⁾(k，ω)；

(3)根据色散关系构造带通滤波器，滤除三维波数频率图像谱中的非海浪信号，所述的滤波器满足

Bn=(ω-Δω/2-Umaxω2/g)g-2Δk2]]>

Bn=(ω+Δω/2+Umaxω2/g)g+2Δk2]]>

式中，B_n和B_p均为滤波器带宽；ω为海浪频率，Δω为频率分辨率；k为波数，Δk为波数分辨率；U_max为雷达天线与海浪场最大相对流速；E⁽³⁾(k，ω)为滤波后海浪图像谱；

(4)引入调制传递函数MTF对图像谱E⁽³⁾(k，ω)的非线性影响进行校正，得到海浪谱，调制传递函数MTF满足：

MTF＝|k|^β

EM(3)(k,ω)=|k|β·E(3)(k,ω)]]>

其中，β为指数，为海浪谱；

(5)对于固定频率ω_i上有n_i个海浪谱分量，海浪谱分量波数的模组成集合为{k_j|k₁ k₂...k_ni}，中心为k_i0，集合最大半径r_i定义为：

ki0=1niΣj=1nikj]]>

ri=maxkj||kj-ki0||]]>

式中，k_j为海浪谱分量，海浪谱分量波数的模组成的集合中谱分量隶属度μ(k_ij)为：

μ(kij)=1-||kj-ki0||ri+δ]]>

其中，δ为表征k_j距离中心k_i0距离的参数；

(6)采用步骤(4)校正后海浪谱和步骤(5)得到隶属度函数的的乘积加权LSM，得到极小值函数Q²为：

Q2=Σi=1NωΣj=1Ni(ωi-ωp(kij))2EM(3)(kij,ωi)μ(kij)]]>

其中，ω_i为实测海浪谱数据中第i个频率分量，ω_p为根据色散关系给出的频率分量；N_ω为正频率数目，N_i为ω_i频率上谱分量数目；μ(k_ij)分别为第ω_i频率上第j个谱大小和隶属度大小，k_ij分别为第i个频率中第j个谱分量的波数分量；

(7)初始估流：

当阶次p满足p＝0的0阶色散关系时，设定阈值C_fg满，将极小值函数Q²分别对表面流在X方向的分量u_x、表面流在Y方向的分量u_y求偏导，并使其偏导数均为零，根据谱数量n₂的个数计算表面流公式为：

u＝A·B

A=ΣEM(3)(kij,ωi)μ(kij)kx2ΣEM(3)(kij,ωi)μ(kij)kxkyΣEM(3)(kij,ωi)μ(kij)kxkyΣEM(3)(kij,ωi)μ(kij)ky2-1]]>

B=ΣEM(3)(kij,ωi)μ(kij)kx(ω0-g|k|tanh(|k|d)ΣEM(3)(kij,ωi)μ(kij)ky(ω0-g|k|tanh(|k|d)]]>

其中，k_x、k_y为波数k_ij在X方向和Y方向的分量，ω₀为0阶波频率，A和B表示矩阵；

(8)迭代估流：

①先选取小于阈值C_fg的阈值C_it，使得阈值C_it高于背景噪声，然后根据步骤(7)中的初始估流过程得到流计算为0和1阶次波频率；

②判断大于阈值C_it的n₃个海浪谱分量属于0阶还是1阶，若|ω_i-ω₀(k_i)|＜|ω_i-ω₁(k_i)|，则属于0阶次波，若|ω_i-ω₀(k_i)|＞|ω_i-ω₁(k_i)|，则属于1阶次波，其中ω_i为实测海浪谱数据中第i个频率分量，ω₀(k_i)为0阶波频率，ω₁(k_i)为1阶波频率；判断完成后，根据步骤(6)得到两个极小值函数，应用加权LSM得到新的表面流，计算公式为：

u＝A′·B′                     (15)

A′=ΣEM(3)(kij,ωi)μ(kij)kx2ΣEM(3)(kij,ωi)μ(kij)kxkyΣEM(3)(kij,ωi)μ(kij)kxkyΣEM(3)(kij,ωi)μ(kij)ky2-1---(16)]]>

B′=Σn30EM(3)(kij,ωi)μ(kij)kx(ω-g|k|tanh(|k|d)+Σn31EM(3)(kij,ωi)μ(kij)kx(ω-2g|k|2tanh(|k|d2)Σn30EM(3)(kij,ωi)ky(ω-g|k|tanh(|k|d)+Σn31EM(3)(kij,ωi)μ(kij)ky(ω-2g|k|2tanh(|k|d2)---(17)]]>

其中，n₃₀、n₃₁分别为n₃个海浪谱分量中0、1阶次波数量，u为表层流，A′和B′表示矩阵；

③将新的表面流代入色散关系式中，得到新的0阶次和1阶次波频率，返回步骤②，进行迭代计算，得到不断精确的表层流，得到流速与流向。