一種基于經(jīng)驗正交分解的x波段雷達海浪反演方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線電海洋遙感和數(shù)字信號處理技術領域，具體設及一種基于經(jīng)驗正 交分解的X波段雷達海浪反演方法，它主要適用于提高X波段海浪反演結果的準確性和可 靠性。
【背景技術】
[0002] X波段雷達在近=十年來逐步發(fā)展成為一種用于海洋環(huán)境監(jiān)測的新手段。當X波 段測波雷達電磁波入射到海面時，那些與雷達波長相當?shù)?、由風引起的毛細波產(chǎn)生化agg 散射，后向散射回波被雷達接收器接收，形成"海雜波"，而波長較長的重力波通過對毛細波 的流體動力調(diào)制、傾斜調(diào)制、陰影調(diào)制作用表現(xiàn)在海雜波圖像上，因此，X波段測波雷達圖像 包含著豐富的海洋動力學參數(shù)信息。對此雷達回波圖像進行分析可W找到與海洋表面動力 學過程（風、浪、流）相對應的特征，由此即可提取和反演出海面動力學要素值。利用X波 段測波雷達進行海洋監(jiān)測具有便捷、可靠、經(jīng)濟、實時和分辨率高等特點，具有廣闊的應用 前景，被認為是一種能實現(xiàn)對海洋進行有效監(jiān)測的高科技手段。
[0003] 目前主流的海浪反演算法對雷達圖像序列先進行3維FFT變換，W獲得相對海浪 方向譜，然后利用海浪方向譜計算得到海浪的主波周期和主波向等信息。由于海流的存在， 使得回波圖像功率譜由于多普勒效應而產(chǎn)生頻移。同時由于各種干擾的存在，利用譜變換 的方法反演得到的海浪結果總存在一定的誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提出一種基于經(jīng)驗正交分解的X波段雷達海浪反演 方法，該方法與現(xiàn)有的譜分析反演算法形成互補，提高X波段雷達海浪反演的精度。
[0005] 實現(xiàn)本發(fā)明的技術方案如下：
[0006] 一種基于經(jīng)驗正交分解的X波段雷達海浪反演方法，具體過程為：
[0007] 步驟一、利用X波段雷達回波數(shù)據(jù)構建協(xié)方差矩陣；
[0008] 步驟二、對協(xié)方差矩陣進行經(jīng)驗正交函數(shù)分解，通過判定得到主要模態(tài)的特征向 量W及特征根；
[0009] 步驟S、建立浪高化與主模態(tài)的特征根A1-AiW及雷達回波的平均信噪比SNR 之間的關系式，利用仿真或?qū)崪y數(shù)據(jù)進行擬合，得到關系式系數(shù)ai~a1和C1;
[0010] 為 +a+?', 4-3,,為 +c{yfSNR
[0011] 步驟四、建立浪向Di與主模態(tài)的特征向量的相位均值Z〇1~Zo1之間的關系 式，并利用仿真或者實測數(shù)據(jù)擬合，得到關系式的系數(shù)bi~b1;
[0012] Di=biZ巫i+bgZ巫 2+. . .+biZ巫 1
[0013] 步驟五、根據(jù)所建立的浪高和浪向的關系式，進行實時海浪參數(shù)反演，當更換觀測 海域或者運行時間超過30天時重復上述步驟得到新的關系式的系數(shù)。
[0014] 進一步地，本發(fā)明所述步驟一構建協(xié)方差矩陣的過程為：
[0015] 首先，選取同一位置的X波段雷達連續(xù)轉(zhuǎn)動N轉(zhuǎn)得到的N幅雷達回波數(shù)據(jù)；
[0016] 其次，對N幅雷達回波數(shù)據(jù)進行距平處理；
[0017] 再次，計算處理后N幅雷達回波數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣。
[0018] 進一步地，本發(fā)明所述步驟二的具體過程為：
[0019] 首先，利用經(jīng)驗正交分解計算協(xié)方差矩陣的特征根和特征向量，并將所述特征根 按照從大到小的順序排序；
[0020] 其次，設特征根的累積方差貢獻率的闊值為S，利用闊值S與特征根的累積方差進 行比較，判斷出主要模態(tài)的特征根及特征向量。
[0021] 有益效果
[0022] 第一，本發(fā)明利用經(jīng)驗正交分解，不依賴于先驗知識，且具有很好的魯椿性。
[0023] 第二，本發(fā)明通過建立主要模態(tài)的特征根和浪高的關系W及主要模態(tài)的特征向量 和浪向的關系來反演海浪，使得本發(fā)明反演得到的海浪結果準確，且本發(fā)明對各種干擾有 一定的抑制效果。
[0024] 第=，本發(fā)明不僅適用于岸基X波段測波雷達，還適用于船載X波段測波W及其它 各種通過回波數(shù)據(jù)進行海浪反演的雷達；本發(fā)明具有算法簡單高效，占用資源少的優(yōu)點。
【附圖說明】
[00巧]圖1為利用X波段雷達回波構建經(jīng)驗正交分解所需的數(shù)據(jù)矩陣的示意圖；
[0026] 圖2為本發(fā)明方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0027] 下面結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細的說明，【具體實施方式】如下：
[0028] 如圖2所示，一種基于經(jīng)驗正交分解的X波段雷達海浪反演方法，具體過程為：
[0029] -、在得到X波段雷達回波圖像后，選取如附圖1中所示的長和寬分別為LXM的 面元（L和M分別為選取的X波段雷達回波圖像在X方向和Y方向的像素點），然后選取同 一位置的X波段雷達連續(xù)轉(zhuǎn)動N轉(zhuǎn)得到的N幅雷達回波圖像，構成大小為（LXM，腳的矩陣， 記LXM=P，進行后續(xù)分析的雷達回波可W表示為H〇(m，Tn)。其中，Xm= (x，y)，m= 1~ P，代表P個空間點的坐標，n= 1~N，代表時間序列長度為N，Ti-T。代表X波段雷達連續(xù) 轉(zhuǎn)動N轉(zhuǎn)得到的N幅雷達圖像。
[0030] 二、對H狂m，Tn)進行距平處理，即對每個空間點上的X波段雷達回波的時間序列做 減去該個時間序列的均值的處理，將處理完后的X波段雷達回波仍記為H〇(m，T。)。
[003US、計算H0(m，Tn)的協(xié)方差矩陣R化，Xm)，其中i= 1，2…，P;
[0032]
陽
[003引四、利用經(jīng)驗正交分解來計算R狂1，Xm)的特征根A和特征向量0成)，使得二者 滿足下式：
[0034]
(2)
[00對式似中巫00和入均為PXP維的矩陣，其中0 00的每一列之間都是相互正 交的。A具有W下的形式：
[0036]
貸
[0037] 式做中特征根是按從大到小順序排列，即Ai>A2>w> ^P，每個特征值對應 著巫（Xj中的一列特征向量值，也稱為一個模態(tài)。
[0038] 五、設特征根的累積方差貢獻率的闊值為S，根據(jù)所述S來判斷主要模態(tài)數(shù)的個 數(shù)，設判定出的主要模態(tài)數(shù)為1個；其中較佳取闊值S為80%。
[0039] 六、建立浪高與前1個模態(tài)的特征根W及雷達回波的平均信噪比SNR之間的關系 式，并利用仿真或者實測數(shù)據(jù)通過最小二乘擬合等方法得到關系式的系數(shù)，建立的浪高與 前1個模態(tài)的特征根之間的關系式如下：
[0040]
田
[0041] ^；：、建立浪向與前1個模態(tài)的特征向量的相位之間的關系式，并利用仿真或者實 測數(shù)據(jù)通過最小二乘擬合等方法得到關系式的系數(shù)，建立的浪向與前1個模態(tài)的特征向量 的相位之間的關系式如下：
[0042] Di = biZ巫i+bgZ巫2+. . . +biZ巫1 (6)
[0043] 式化）中Z巫1表示特征根A1所對應的特征向量0 1的相位的均值。
[0044] 八、進行實時海浪參數(shù)反演，當更換觀測海域或者運行時間超過30天時重復上述 步驟W得到新的關系式系數(shù)。
[0045] 綜上所述，W上僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。 凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的 保護范圍之內(nèi)。
【主權項】
1. 一種基于經(jīng)驗正交分解的X波段雷達海浪反演方法，其特征在于，具體過程為： 步驟一、利用X波段雷達回波數(shù)據(jù)構建協(xié)方差矩陣； 步驟二、對協(xié)方差矩陣進行經(jīng)驗正交函數(shù)分解，通過判定得到主要模態(tài)的特征向量以 及特征根； 步驟三、建立浪高He與主模態(tài)的特征根λ λ 1以及雷達回波的平均信噪比SNR之 間的關系式，利用仿真或?qū)崪y數(shù)據(jù)進行擬合，得到關系式系數(shù)％~a c 1;步驟四、建立浪向Di與主模態(tài)的特征向量的相位均值Z O1-Z Φ i之間的關系式，并 利用仿真或者實測數(shù)據(jù)擬合，得到關系式的系數(shù)bi~b 1; Di = bxZ Φ i+b2Z Φ 2+. . . +bxZ Φ x 步驟五、根據(jù)所建立的浪高和浪向的關系式，進行實時海浪參數(shù)反演。2. 根據(jù)權利要求1所述基于經(jīng)驗正交分解的X波段雷達海浪反演方法，其特征在于，所 述步驟一構建協(xié)方差矩陣的過程為： 首先，選取同一位置的X波段雷達連續(xù)轉(zhuǎn)動N轉(zhuǎn)得到的N幅雷達回波數(shù)據(jù)； 其次，對N幅雷達回波數(shù)據(jù)進行距平處理； 再次，計算處理后N幅雷達回波數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣。3. 根據(jù)權利要求1所述基于經(jīng)驗正交分解的X波段雷達海浪反演方法，其特征在于，所 述步驟二的具體過程為： 首先，利用經(jīng)驗正交分解計算協(xié)方差矩陣的特征根和特征向量，并將所述特征根按照 從大到小的順序排序； 其次，設特征根的累積方差貢獻率的閾值為S，利用閾值S與特征根的累積方差進行比 較，判斷出主要模態(tài)的特征根及特征向量。4. 根據(jù)權利要求1所述基于經(jīng)驗正交分解的X波段雷達海浪反演方法，其特征在于，所 述擬合為采用最小二乘法實現(xiàn)。5. 根據(jù)權利要求3所述基于經(jīng)驗正交分解的X波段雷達海浪反演方法，其特征在于，所 述閾值S為80%。6. 根據(jù)權利要求1所述基于經(jīng)驗正交分解的X波段雷達海浪反演方法，其特征在于，當 更換觀測海域或者運行時間超過預設天數(shù)時，重新計算新的關系式系數(shù)，建立浪高和浪向 的關系式。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于經(jīng)驗正交分解的X波段雷達海浪反演方法，具體過程為：利用X波段雷達回波數(shù)據(jù)構建協(xié)方差矩陣；對協(xié)方差矩陣進行經(jīng)驗正交函數(shù)分解，通過判定得到主要模態(tài)的特征向量以及特征根；建立浪高He與主模態(tài)的特征根以及雷達回波的平均信噪比SNR之間的關系式，利用仿真或?qū)崪y數(shù)據(jù)進行擬合，得到關系式系數(shù)；建立浪向Di與主模態(tài)的特征向量的相位之間的關系式，并利用仿真或者實測數(shù)據(jù)擬合，得到關系式的系數(shù)；根據(jù)所建立的浪高和浪向的關系式，進行實時海浪參數(shù)反演。該方法與現(xiàn)有的譜分析反演算法形成互補，提高X波段雷達海浪反演的精度。
【IPC分類】G01S13/89
【公開號】CN104977583
【申請?zhí)枴緾N201510398696
【發(fā)明人】沈志奔, 彭亮, 鄧海華, 董梁, 王赟
【申請人】中國船舶重工集團公司第七一九研究所
【公開日】2015年10月14日
【申請日】2015年7月8日