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海面波面还原方法

阅读:152发布:2020-07-21

专利汇可以提供海面波面还原方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种海面波面还原方法,包括如下步骤:(1)选取反演对象区域,获取所述对象区域的HH极化图像和VV极化图像;(2)基于多极化倾斜调制 算法 ,根据所述HH极化图像和所述VV极化图像的参数反演对应各个 像素 点的方位向斜率;(3)利用海面 风 反演地球物理函数校正所述HH极化图像和所述VV极化图像的距离向斜率;(4)根据所述方位向斜率和所述距离向斜率反演各个像素点的相对波高;(5)根据所述相对波高还原三维海面波面。本发明海面波面还原方法能反演海面具体像素点的相对波高,还原出海面波面的三维场景,反映海面的真实情况。,下面是海面波面还原方法专利的具体信息内容。

1.一种海面波面还原方法,包括如下步骤:
(1)选取反演对象区域,获取所述对象区域的HH极化图像和VV极化图像,基于所述HH极化图像和所述VV极化图像,获取入射数字校正值beta、归一化雷达截面校正值sigma、信号强度值DN、归一化雷达截面补偿值offset、极化角ψ,方位向对应的分辨率Δx,以及距离向对应的分辨率Δy,
则,对应各个像素点的入射角
对于单式复图像,每个像素的NRCS=10lg((DN)^2/(sigma)^2),其中NRCS为雷达后向散射截面;
对于其他图像,每个像素的NRCS=10lg(((DN)^2+offset)/(sigma)^2),另外,基于所述HH极化图像,获得所述HH极化图像的NRCS平均值 以及对应各个像素点的NRCS与所述HH极化图像的NRCS平均值 的差值Δσhh;基于所述VV极化图像,获得所述VV极化图像的NRCS平均值 以及对应各个像素点的NRCS与所述VV极化图像的NRCS平均值 的差值Δσvv;
(2)基于多极化倾斜调制算法,根据所述HH极化图像和所述VV极化图像的参数反演对应各个像素点的方位向斜率,多极化倾斜调制算法与方位向斜率的关系式为:
其中, 为方位向斜率tanω,距离向斜率记为
(3)利用海面反演地球物理函数校正所述HH极化图像和所述VV极化图像的距离向斜率;
(4)根据所述方位向斜率和所述距离向斜率反演各个像素点的相对波高;以及(5)根据所述相对波高还原三维海面波面。
2.如权利要求1所述的海面波面还原方法,其特征在于,所述反演对象区域的面积小于海风测量快速散射仪卫星风矢量的分辨率。
3.如权利要求1所述的海面波面还原方法,其特征在于,所述海面风反演地球物理函数为第五代经验模型CMOD5。
4.如权利要求1所述的海面波面还原方法,其特征在于,所述步骤(1)后还包括:
根据所述HH极化图像和所述VV极化图像的参数获得各个像素点的雷达后向散射截面,
则,所述步骤(3)具体为:
(31)获取对象区域的浮标资料风向信息;
(32)利用第五代经验模型CMOD5校正所述HH极化图像和所述VV极化图像的平均风速;以及
(33)根据所述方位向斜率、所述各个像素点的雷达后向散射截面、所述浮标资料风向信息以及所述平均风速校正所述HH极化图像和所述VV极化图像中各个像素点对应的距离向斜率。
5.如权利要求4所述的海面波面还原方法,其特征在于,所述步骤(31)具体为:
通过海风测量快速散射仪卫星风产品获取对象区域的浮标资料风向信息,或通过美国国家浮标数据中心的浮标资料获取对象区域的浮标资料风向信息。
6.如权利要求4所述的海面波面还原方法,其特征在于,所述步骤(32)具体为:
(321)将第五代经验模型CMOD5中的入射角校正为受方位向斜率和距离向斜率扰动的局部入射角;
(322)获得对象区域的平均雷达后向散射截面,并根据所述浮标资料风向信息、所述对象区域的平均雷达后向散射截面、以及所述局部入射角校正所述对象区域的平均风速。
7.如权利要求6所述的海面波面还原方法,其特征在于,所述步骤(321)中第五代经验模型CMOD5中的入射角根据下述公式校正为受方位向斜率和距离向斜率扰动的局部入射角:
其中,φ为入射角,φ′为校正后的局部入射角,tanγ为距离向斜率,tanω为方位向斜率。
8.如权利要求1所述的海面波面还原方法,其特征在于,所述步骤(1)后还包括:
根据所述HH极化图像和所述VV极化图像的参数获得方位向对应的分辨率和距离向对应的分辨率,
则,所述步骤(4)具体为:
(41)根据所述方位向对应的分辨率、所述距离向对应的分辨率、所述方位向斜率以及所述距离向斜率,反演所述对象区域各个像素点的波高;
(42)根据所述对象区域各个像素点的波高反演所述对象区域的最大波高差;以及(43)根据所述对象区域各个像素点的波高和最大波高差反演所述相对波高。

说明书全文

海面波面还原方法

技术领域

[0001] 本发明涉及海洋环境监测技术领域,尤其涉及一种海面波面还原方法。

背景技术

[0002] 海洋在人类的文明发展历史中起着极其重要的作用,是全球生命支持系统的一个基本组成部分。海洋环境与人类的关系非常密切,因此海洋环境的检测尤为重要。目前对海洋环境的检测大多利用的是海面波面还原技术。
[0003] 现有的一种海面波面还原技术利用单极化SAR(Synthetic Aperture Radar,合成孔径雷达)图像反演成像海面的海浪谱,并通过反演的海浪谱来还原海面波面。然而,所述反演技术依赖于第一猜测谱,即,所述反演的过程需要第一猜测普作为已知条件输入,并且反演的结果受到所述第一猜测谱精度的限制。
[0004] 为了真实精确的还原海面波面,摆脱所述第一猜测谱的限制,现有的另一种海面波面还原技术利用SAR图像反演成像海面的海浪谱,并利用积分的方法提取海浪参数(如有效波高、波长波数等参数)。现有的再一种海面波面还原技术利用SAR图像并通过倾斜调制机制和极化方向调制机制反演多极化海浪谱和有效波高。然而,上述两种方法均反演的是频率域的二维的海浪谱并且获得的是代表大范围海浪的特征参数的有效波高,因此所述方法都不能反演时域海面具体的某个像素点的相对波高,还原的海面是二维场景,不能反映出海面的真实情况。
[0005] 因此,有必要提供一种改进的海面波面还原方法来克服现有技术缺陷

发明内容

[0006] 本发明实施例的目的在于提供一种海面波面还原方法,所述方法能反演海面具体像素点的相对波高,还原出海面波面的三维场景,反映海面的真实情况。
[0007] 为此,本发明实施例提出一种海面波面还原方法,包括如下步骤:(1)选取反演对象区域,获取所述对象区域的HH极化图像和VV极化图像;(2)基于多极化倾斜调制算法,根据所述HH极化图像和所述VV极化图像的参数反演对应各个像素点的方位向斜率;(3)利用海面反演地球物理函数校正所述HH极化图像和所述VV极化图像的距离向斜率;(4)根据所述方位向斜率和所述距离向斜率反演各个像素点的相对波高;(5)根据所述相对波高还原三维海面波面。
[0008] 在本发明中,所述反演对象区域的面积小于海风测量快速散射仪卫星风矢量的分辨率
[0009] 优选地,所述海面风反演地球物理函数为第五代经验模型CMOD5。
[0010] 在本发明的一个实施例中,所述步骤(1)后还包括:根据所述HH极化图像和所述VV极化图像的参数获得各个像素点的雷达后向散射截面,则,所述步骤(3)具体为:(31)获取对象区域的浮标资料风向信息;(32)利用第五代经验模型CMOD5校正所述HH极化图像和所述VV极化图像的平均风速;(33)根据所述方位向斜率、所述各个像素点的雷达后向散射截面、所述浮标资料风向信息以及所述平均风速校正各个像素点对应的距离向斜率。
[0011] 在本发明的另一实施例中,所述步骤(31)具体为:通过海风测量快速散射仪卫星风产品获取对象区域的浮标资料风向信息,或通过美国国家浮标数据中心的浮标资料获取对象区域的风向信息。
[0012] 在本发明的再一实施例中,所述步骤(32)具体为:(321)将第五代经验模型CMOD5中的入射校正为受方位向斜率和距离向斜率扰动的局部入射角;(322)获得对象区域的平均雷达后向散射截面,并根据所述浮标资料风向信息、所述对象区域的平均雷达后向散射截面、以及所述局部入射角校正所述对象区域的平均风速。
[0013] 较佳地,所述步骤(321)中第五代经验模型CMOD5中的入射角根据下述公式校正为受方位向斜率和距离向斜率扰动的局部入射角:
[0014]
[0015] 其中,φ为入射角,φ′为校正后的局部入射角,tanγ为距离向斜率。tanω为方位向斜率。
[0016] 在本发明的又一实施例中,所述步骤(1)后还包括:根据所述HH极化图像和所述VV极化图像的参数获得方位向对应的分辨率和距离向对应的分辨率,则,所述步骤(4)具体为:(41)根据所述方位向对应的分辨率、所述距离向对应的分辨率、所述方位向斜率以及所述距离向斜率,反演所述对象区域各个像素点的波高;(42)根据所述对象区域各个像素点的波高反演所述对象区域的最大波高差;(43)根据所述对象区域各个像素点的波高和最大波高差反演所述相对波高。
[0017] 与现有技术相比,本发明海面波面还原方法通过多极化倾斜调制算法和海面风反演地球物理函数来根据对象区域的HH极化图像和VV极化图像获取方位向和距离向斜率,从而反演出海面具体像素点的相对波高,进而还原出海面波面的三维场景,能反映海面的真实情况。
[0018] 通过以下的描述并结合附图,本发明将变得更加清晰,这些附图用于解释本发明的实施例。

附图说明

[0019] 图1为本发明海面波面还原方法的流程图
[0020] 图2a为图1所示方法中的对象区域的HH极化图像。
[0021] 图2b为图1所示方法中的对象区域的VV极化图像,所述VV极化图像与图2a所示HH极化图像的位置相同,时间相同。
[0022] 图3为根据图1所示方法还原的海面场景示意图。

具体实施方式

[0023] 现在参考附图描述本发明的实施例,附图中类似的元件标号代表类似的元件。本实施例海面波面还原方法通过多极化倾斜调制算法和海面风反演地球物理函数来根据对象区域的HH极化图像和VV极化图像获取方位向和距离向斜率,从而反演出海面具体像素点的相对波高,进而还原出海面波面的三维场景,能反映海面的真实情况。下面将详细阐述。
[0024] 图1为本实施例海面波面还原方法的流程图。如图所示,所述海面波面还原方法包括如下步骤:
[0025] 步骤S11,选取反演对象区域,获取所述对象区域的HH极化图像和VV极化图像(见图2a和图2b)。本实施例海面波面还原方法选取浮标所在位置的周围区域为反演对象区域,所述周围区域为以浮标所在位置的经纬度为中心的方形(如512像素×512像素)区域。所述反演对象区域的面积不超过海风测量快速散射仪卫星(QuikScat)风矢量的分辨率(25Kmx25Km)。
[0026] 基于所述HH极化图像和所述VV极化图像,获取入射角数字校正值(beta)值、归一化雷达截面校正值(sigma)值、信号强度(DN)值、归一化雷达截面补偿(offset)值、极化角ψ,方位向对应的分辨率Δx,以及距离向对应的分辨率Δy。
[0027] 则,对应各个像素点的入射角
[0028] 对于单式复图像(SLC),每个像素的NRCS=10lg((DN)^2/(sigm)^2);
[0029] 对于其他图像,每个像素的NRCS=10lg(((DN)^2+offset)/(sigm)^2),[0030] 另外,基于所述HH极化图像,获得所述HH极化图像的NRCS(雷达后向散射截面,Normalized Radar Cross Section)平均值σhh,以及对应各个像素点的NRCS与所述HH极化图像的NRCS平均值σhh的差值Δσhh;基于所述VV极化图像,获得所述VV极化图像的NRCS平均值σvv,以及对应各个像素点的NRCS与所述VV极化图像的NRCS平均值σvv的差值Δσvv。
[0031] 步骤S12,基于多极化倾斜调制算法,根据所述HH极化图像和所述VV极化图像的参数反演对应各个像素点的方位向斜率tanω。
[0032] 其中,多极化倾斜调制算法与方位向斜率的关系式为:
[0033]
[0034] 其中, 为方位向斜率tanω(注:距离向斜率记为 )。
[0035] 步骤S13,获取对象区域的浮标资料风向信息 在所述步骤中,所述获取的方式可以通过以下两种途径实现:一是通过网上下载QuikScat风产品,读取相应的风向信息二是在美国国家浮标数据中心(NDBC)下载相应的浮标资料,读取对应的风向信息[0036] 需要提出的是,本步骤整个反演对象区域内的风向是不变的。这个假设在实际应用中是成立的,并且能保证了每个像素针对统一参考NRCS,从而获得准确的相对高度。
[0037] 步骤S14,将CMOD5函数中的入射角φ演化成受方位向斜率和距离向斜率扰动的局部入射角φ′。
[0038] 其中演化公式为:
[0039]
[0040] 这样,在利用CMOD5函数进行方位向斜率和距离向斜率反演时,用局部入射角φ′代替入射角φ。
[0041] 步骤S15,获得对象区域的平均NRCS,并根据对象区域的平均NRCS、步骤S13中的浮标资料风向信息、以及步骤S14中的局部入射角φ′反演所述对象区域的平均风速。
[0042] 其中,所述对象区域的平均NRCS为整个感兴趣区域内所有像素点的NRCS的平均值。
[0043] 从本步骤得知,由于方位向斜率和距离向斜率会影响风速,本实施例中通过对风速影响的校正,使每个像素的NRCS与整个感兴趣区域的平均NRCS相等。
[0044] 步骤S16,根据步骤S12中的方位向斜率tanω、步骤S11中各个像素点的NRCS、步骤S13中的浮标资料风向信息以及步骤S15中的平均风速反演各个像素点对应的距离向斜率tanγ。
[0045] 目前国际通用的CMOD5模型为:
[0046]
[0047] 其中,σ0(m)为利用CMOD5GMF(Geophysical Model Function,地球物理模式函数)计算的每个分辨单元的NRCS。
[0048]
[0049]
[0050]2 3
[0051] a0=c1+c2x+c3x+c4x,
[0052] a1=c5+c6x,
[0053] a2=c7+c8x,
[0054] s0=c12+c13x,
[0055]
[0056] α=s0(1-g(s0)),
[0057] g(s)=1/(1+e-s),
[0058] κ=c9+c10x+c11x2,
[0059]
[0060]
[0061] r0=c19,n=c20,
[0062] v0=c21+c22x+c23x2,d1=c24+c25x+c26x2,
[0063] U为步骤5中的海面上10m处的平均风速, (当卫星平台升轨飞行时取“-”号,降轨飞行时取“+”号,航迹角α为SAR平台轨迹方向与正北方向的夹角)。
[0064] 利用式(3)给出的CMOD5模型,将每一个像素点的距离向斜率角x=(φ′-40)/25从-30度到+30度演算,从而反演出与该角度对应的该像素点的NRCS值(m) (m)σ0 。把所述反演的NRCS值σ0 中与根据图像信息计算得到的每个像素的NRCS值相比(m)
较,最接近所述每个像素的NRCS值的NRCS值σ0 对应的那个角度为距离向角,所述距离向角对应的距离向斜率即为反演得到的距离向斜率。
[0065] 步骤S17,根据步骤S11中的方位向对应的分辨率Δx、距离向对应的分辨率Δy、步骤S12中的方位向斜率tanω、以及步骤S16中的距离向斜率tanγ,反演各个像素点的相对波高。所述步骤S17具体为:
[0066] 预设h(1,1)为常非零数值
[0067] 计算整个区域内每一点的波高
[0068]
[0069] 其中(i,j)表示像素在图像中的相对位置,
[0070] 最大波高差Δh=hmax-hmin,
[0071] 相对波高h′(i,j)=h(i,j)/Δh,
[0072] 步骤S18,根据所述各个像素点的相对波高,还原真实海面场景。如图3还原的是大小为512x512像素点(选取从第一行第一列为起始位置)的海面。
[0073] 需要说明的是,本实施例也可以采用除第五代经验模型CMOD5之外的其他海面风反演地球物理函数,例如第四代经验模型CMOD4等。利用第四代经验模型CMOD4进行海面波面还原的方法与上述利用第五代经验模型CMOD5进行海面波面还原的方法类似,在此不再赘述。
[0074] 以上所述是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
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