基于航海雷達(dá)圖像的海面風(fēng)場(chǎng)反演算法研究.pdf

1、全方位、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)海洋動(dòng)力環(huán)境對(duì)于人們認(rèn)識(shí)、開發(fā)海洋具有重要的指導(dǎo)價(jià)值。航海雷達(dá)能夠獲取高時(shí)空分辨率的海雜波圖像，應(yīng)用相關(guān)的算法可以從中提取出海洋參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)海面狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，具有其它測(cè)量工具無法比擬的優(yōu)勢(shì)，引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。本文結(jié)合實(shí)驗(yàn)室在研項(xiàng)目，開展了海面風(fēng)場(chǎng)反演算法的研究，為航海雷達(dá)在海洋動(dòng)力環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用和推廣奠定了基礎(chǔ)。
　　 在分析總結(jié)了國內(nèi)外航海雷達(dá)海洋遙感理論成果的基礎(chǔ)上，本文對(duì)海浪噪聲抑制，海面風(fēng)向、

2、風(fēng)速計(jì)算等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入研究，形成了一套完整的海面風(fēng)場(chǎng)反演技術(shù)方案，并應(yīng)用模擬圖像和真實(shí)雷達(dá)圖像驗(yàn)證了其可行性。
　　 1、針對(duì)噪聲干擾問題，根據(jù)重力波符合的色散關(guān)系方程，設(shè)計(jì)了基于主導(dǎo)波長的色散關(guān)系帶通濾波器(LDRBF)。LDRBF的頻帶由主導(dǎo)波波長和最大相對(duì)速度確定，與傳統(tǒng)色散關(guān)系帶通濾波器相比，它不依賴實(shí)時(shí)海流信息，能夠獨(dú)立工作；與普通數(shù)字圖像濾波器相比，它根據(jù)信號(hào)特性抑制噪聲，不破壞海雜波的原始結(jié)構(gòu)。應(yīng)用兩次較大波浪

3、過程期間獲取的航海雷達(dá)圖像實(shí)驗(yàn)，將LDRBF計(jì)算的有效波高與參考波高比對(duì)，結(jié)果顯示誤差低于0.26m，符合應(yīng)用要求，證明了該方法的有效性。
　　 2、應(yīng)用實(shí)時(shí)色散關(guān)系帶通濾波器可抑制海浪噪聲對(duì)海面風(fēng)場(chǎng)反演的干擾，而海流是濾波器的關(guān)鍵參數(shù)。針對(duì)傳統(tǒng)算法計(jì)算的海流存在較大誤差的問題，提出了海浪譜加權(quán)最小二乘法的海流反演算法(WS-LSM)。WS-LSM算法與傳統(tǒng)算法相比在噪聲抑制、最小二乘法權(quán)值選取方面進(jìn)行了改進(jìn)。通過長時(shí)間的實(shí)測(cè)實(shí)

4、驗(yàn)，結(jié)果顯示：改進(jìn)流速精度為0.11m/s，提高了64.5％，改進(jìn)流向精度為16.33°，提高了57.87%。改進(jìn)結(jié)果滿足應(yīng)用要求，驗(yàn)證了WS-LSM算法的可行性。
　　 3、針對(duì)航海雷達(dá)圖像噪聲多、非線性強(qiáng)以及時(shí)間間隔長的特點(diǎn)，提出了基于圖像灰度和梯度不變模型的海面風(fēng)場(chǎng)反演算法。海面風(fēng)向計(jì)算方面，在圖像灰度值和梯度值不變模型的基礎(chǔ)上，考慮平滑項(xiàng)的影響，建立能量函數(shù)；然后應(yīng)用正則化法求解函數(shù)，得到歐拉-拉格朗日非線性系統(tǒng)；再根據(jù)

5、迭代方法計(jì)算出海面風(fēng)向。海面風(fēng)速計(jì)算方面，當(dāng)雷達(dá)單獨(dú)測(cè)量時(shí)，根據(jù)雷達(dá)散射截面、實(shí)測(cè)風(fēng)向和海浪信噪比，設(shè)計(jì)了具有三個(gè)輸入的BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，計(jì)算風(fēng)速；當(dāng)已知海氣邊界層參數(shù)時(shí)，將它們作為附加輸入，設(shè)計(jì)了超過三個(gè)輸入的BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，計(jì)算風(fēng)速。
　　 4、在理想情況下，為了研究海面風(fēng)場(chǎng)反演與各種環(huán)境要素的相關(guān)性以及檢驗(yàn)海面風(fēng)場(chǎng)反演技術(shù)方案的可行性，為航海雷達(dá)遙測(cè)海面風(fēng)場(chǎng)提供依據(jù)，應(yīng)用模擬雷達(dá)圖像開展海面風(fēng)場(chǎng)反演實(shí)驗(yàn)。首先根據(jù)海浪譜基本原理、

6、雷達(dá)幾何成像原理與調(diào)制機(jī)制，模擬出航海雷達(dá)圖像，值得一提的是本文首次在模擬圖像過程中加入天線旋轉(zhuǎn)的影響；然后詳細(xì)設(shè)計(jì)了海面風(fēng)場(chǎng)反演技術(shù)方案和流程，并應(yīng)用模擬的圖像，在理想情況下，通過實(shí)驗(yàn)分析了風(fēng)速、測(cè)量面積、天線轉(zhuǎn)速等因素對(duì)于風(fēng)場(chǎng)結(jié)果的影響；最后應(yīng)用模擬圖像開展實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示風(fēng)速誤差低于0.26m/s，風(fēng)向誤差為2.76°，初步驗(yàn)證了海面風(fēng)場(chǎng)反演技術(shù)方案的可行性。
　　 5、2010年下半年開展了岸基航海雷達(dá)遙測(cè)實(shí)驗(yàn)，獲取了大量