[发明专利]一种基于相对辐射校正的导航雷达图像反演海面风向方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种反演海面风向方法。

背景技术

海面风场信息是海洋动力学重要参数，是海洋与大气能量和气体交换的主要驱动力。因此，了解和掌握海面风场信息对渔业、海运及气象监测都有深远的意义。现有海面风向信息获取方法主要分成两类：站点式现场测量和遥感测量。导航雷达是遥感测量手段的一种，因具有不受光线影响、不受天气影响、实时连续反馈、高分辨率和使用便捷等优点，成为现阶段提取海面风向信息的热门课题。

现阶段国内外应用导航雷达图像测量海面风向，主要方法为基于海面风速分布不均匀导致的导航雷达图像中呈现出的风条纹来计算的。风条纹存在尺度200～500m，频率接近静态或准静态，风条纹方向与风向平行等特征。目前，应用风条纹特征反演海面风向的方法主要有以下几种：2003年Dankert等人提出局部梯度法，2004年由Dankert等人提出的光流法。2010年中国海洋大学段华敏使用和Dankert2004年相同的方法提取出了海表面风场信息。2012年哈尔滨工程大学的贾瑞才博士和2013年中国海洋大学的硕士生李金凤都对Dankert2004年的方法进行了改进，提高了风向反演精度。以上方法虽都已提取出海面风向信息，但应用以上方法都没有考虑导航雷达回波强度径向衰减对风向提取造成的影响。

导航雷达径向回波强度存在非线性衰减的特征会影响风条纹的分布特征，实测导航雷达一条线上径向回波强度分布如图12。Maurice W.Long指出在均匀粗糙海面的回波强度在近距离和远距离分别正比于R-3和R-7。在近区时，充满天线波束照射海面区域内的回波强度服从R-3的关系；在远区时，由于入射角减少，出现海浪反射的双路径效应，造成回波强度与探测距离成R-7的关系；因此，理论分析和实验都证明了导航雷达径向回波强度存在非线性衰减的特征。通过实验还发现径向衰减特征是由100～500m不同波长的波组成，而风条纹的尺度为200～500m，并且两者都属于静态信号，两种特征相近的信号是无法分离的，因此，导航雷达图像径向衰减特征会影响风条纹的分布特征，从而降低风向信息提取的精度。

现有导航雷达图像相对辐射校正方法分为两大类：非线性校正法和线性回归法。非线性校正法主要有直方图匹配法，此方法是对需要校正图像和参考图像作直方图均衡化，然后用参考图像的直方图均衡化去匹配需要校正图形的。此方法需要存在参考图像，匹配过程中图像的特征信号会被淹没。

线性回归校正是通过对样本点建立线性模型来进行图像校正的，具有精度高、速度快和易于工程实现等优点。

传统线性回归法主要分为三步实现，第一步选取适当样本点，第二步应用样本点确定线性方程回归参数建立线性拟合方程，第三步根据线性拟合方程，对图像进行相对辐射校正。第一步样本点选取，现在主要有图像回归法(IR)、伪不变特征法(PIF)、暗级-亮级法和未变化级辐射归一法(NC)。第二步确定线性拟合方程现阶段有两种方法，第一种是建立二阶最小二乘多项式，第二种为求取多幅导航雷达图像均值。结合导航雷达径向回波具有非线性衰减特征，和风条纹静态特征，发现第二步现有的两种方法都不适用。

发明内容

本发明的目的在于提供提高数据拟合速度，简化拟合方程的复杂度，且不会破坏海杂波图像的一种基于相对辐射校正的导航雷达图像反演海面风向方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种基于相对辐射校正的导航雷达图像反演海面风向方法，其特征是：

(1)导航雷达图像序列采集：采集连续N幅导航雷达图像，将其定义为一组导航雷达图像序列，并收集对应时间和位置的实际风向与风速值；

(2)导航雷达图像预处理：对导航雷达图像序列极坐标图像进行归一化，使导航雷达图像序列中的每幅导航雷达图像的线数固定，再对单幅导航雷达图像通过观测去除遮挡区域的影响，只保留海杂波图像区域，应用图像中值滤波抑制同频信号对导航雷达图像的干扰；

(3)导航雷达图像相对辐射校正：对步骤(2)处理得到的导航雷达图像的回波强度值按方位向进行平均，得到关于距离的回波强度均值，对导航雷达图像径向回波强度进行相对辐射校正，得到相对辐射校正图像序列；

(4)海面风向反演：对相对辐射校正图像序列首先利用低通滤波器得到海面静态特征图像，然后基于波数能量谱尺度分离方法得到风条纹能量谱，最终获得海面风向；

导航雷达图像相对辐射校正的具体步骤为：