CN106908782A - 基于水面状态连续成像***的波浪传播方向的提取方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于水面状态连续成像***的波浪传播方向的提取方法，包括以下步骤：(1)利用水面状态连续成像***收集探测区域波浪回波，并且对连续收集的回波进行采样以及成像，组成N帧(N通常的取值为32、64、128等)回波图像序列；(2)对收集到的回波图像序列进行预处理，滤除图像中背景噪声；(3)将预处理后的图像序列进行光流运动估计，得到N帧回波图像序列像素点的运动矢量集；(4)将运动矢量集中所有像素点的运动速度作为权值，将所有像素点方向进行加权平均，获取所有像素点集的整体运动方向；(5)将整体运动方向进行相对坐标校正，得到最终波浪的传播方向计算结果。本发明为基于水面状态连续成像***的波浪传播方向提取提供了一种新的方法，同时，该方法简单高效，占用资源少，方法不仅适用于各种型号的X波段雷达，还适用于红外、可见光成像***，具有广泛的应用价值。

Description

基于水面状态连续成像***的波浪传播方向的提取方法
技术领域
本发明涉及无线电的遥感技术领域，尤其涉及水面状态连续成像***的水面遥感技术领域，具体是指一种基于水面状态连续成像***的波浪传播方向的提取方法。
背景技术
水面状态包括湖面、海面以及河面状态，随着科技的发展和人类对新能源、远洋的探索兴趣和需求的增大，对湖面、河面以及海面的状态遥感技术也日渐成为科学家们的研究热点。
目前，传统的海上X波段导航雷达被广泛应用于对海面的遥感探测，所谓X波段雷达(X Band Radar，简写为XBR)是对火控、目标跟踪雷达的统称，其发出的波长在3厘米以下，该雷达能够360度旋转侦查各个方向的目标。
海浪状态作为海洋研究的重点，它是与人类息息相关的。海洋动力学参数反应的是直接或者间接的通过海浪的各种运动形式而计算出来的具体物理量。海态参数的提取与分析对海洋气候研究、海洋资源开发、海洋安全、海洋军事等有着广泛的意义。海态参数主要包含浪高、浪周期、浪向等这些与海浪有着直接以及直观联系的数值信息，而浪向也称为波向，代表海浪传播的方向，它是船舶航行安全以及港口安全的重要参数。作为高效的海洋观测方式之一，X波段测波雷达以其高时空分辨率、轻便灵巧、市场占有率高等特点逐步成为了一种重要的主动式海洋遥感手段。X波段电波在随机粗糙海面传播时会与海浪产生散射作用，X波段测波雷达接收后向散射回波，能够从回波信号获取海流、海浪等海洋参数。
目前利用X波段测波雷达来反演浪向主要是基于以下步骤：首先对X波段测波雷达接收的海面海浪散射电磁波图像序列进行三维傅里叶分析，得到频域回波图像谱；其次，利用图像谱得到海表面流信息，并且通过海流信息构造带通滤波器来提取频率方向谱；最后，结合调制传递函数来从频率方向谱中提取出浪向。由于海流估算存在不准确性，这将导致基于海流的带通滤波也会失效，进而会影响最终得到的频率方向谱。同时，由于阴影调制、轨道调制、流体动力学调制、倾斜调制的存在，由雷达图像得到的海浪图像谱与现场浮标等工具测得的海浪谱之间存在着差异，而利用经验调制传递函数来对这种差异进行调整时，经验调制传递函数自身的选取也会给浪向反演结果带来误差。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的缺点，提供一种基于时域图像、更加简洁方便的基于水面状态连续成像***的波浪传播方向的提取方法。
为了实现上述目的，本发明的基于水面状态连续成像***的波浪传播方向的提取方法具体如下：
该基于水面状态连续成像***的波浪传播方向的提取方法，其主要特点是，所述的提取方法包括以下步骤：
(1)通过水面状态连续成像***采集探测区域中的波浪的回波，并进行采样成像，组成N帧回波图像序列；
(2)对步骤(1)中获取的N帧回波图像序列进行预处理，滤除噪声；
(3)对滤噪后的N帧回波图像序列进行处理，获取该N帧回波图像序列的像素点运动矢量集
(4)获取步骤(3)中的N帧回波图像序列的像素点运动矢量集中所有像素点的运动速度的权值，以及获取所有像素点的整体运动方向；
(5)根据水面状态连续成像***朝向θradar和参考方向，对所述的所有像素点的整体运动方向进行相对坐标校正。
较佳地，所述的N的取值为2m，且m为正整数。
更佳地，所述的m大于等于5，且小于等于8。
较佳地，所述的步骤(2)具体为：
通过中值滤波法对其获取的N帧回波图像序列进行预处理，滤除该N帧回波图像序列中的背景噪声。
较佳地，所述的步骤(3)具体为：
对滤噪后的N帧回波图像序列进行光流运动估计处理，获取该N帧回波图像序列的像素点运动矢量集
较佳地，所述的步骤(4)具体为：
将该N帧回波图像序列的像素点运动矢量集中所有像素点的运动速度作为权值，并将所有像素点方向θ进行加权平均，获取所有像素点的整体运动方向Θ，其中所有像素点的整体运动方向Θ的计算公式如下：
其中，θi与分别为像素点运动矢量集中第i个像素点移动方向以及速度大小，N为该N帧回波图像序列中所有像素点的个数。
更佳地，所述的参考方向为正北方向，且所述的步骤(5)具体为：
根据正北方向以及水面状态连续成像***朝向θradar，将所述的所有像素点的整体运动方向Θ进行相对坐标校正，得到以正北方向为参考方向的波浪传播方向θwave，校正方法如下：
θ＝90+θradar-Θ；
较佳地，所述的水面状态连续成像***可为X波段雷达***、红外以及可见光成像***。
采用了该发明中的基于水面状态连续成像***的波浪传播方向的提取方法，由于其利用水面状态连续成像***对水面状态进行连续成像，从波浪的时域信号出发，利用成像***所成的图像序列中相邻图像之间的回波强度的偏移方向来直接估算浪向，将光流运动方法应用到成像***所成的图像序列，可以简单、高效的提取整个图像序列中各个像素点的运动方向，将图像序列中的每个像素点的运动矢量进行加权平均即可得到波浪的真实传播方向，采用本发明中的技术方案，能够很好的湖面/海面/河面的波浪状态进行分析，本发明的核心就在于基于水面连续成像***对波浪的传播方向进行提取，整个发明实用性强，且适用性广，不仅适用于岸基水面状态连续成像***，还适用于船载水面状态连续成像***，并且能够实时、快速、准确、稳定的反演出波浪传播方向，而无需像基于频域的波浪传播方向预测那样，需要提前得到调制传递函数以及精确的水流大小和方向，减少了由于水流估算的不准确以及调制传递函数自身的误差而给浪向提取结果带来的影响。
附图说明
图1为本发明的基于水面状态连续成像***的波浪传播方向的提取方法中利用水面状态连续成像***采集的波浪回波图像序列示意图。
图2为本发明的基于水面状态连续成像***的波浪传播方向的提取方法中N帧图像序列中各个像素点的运动矢量场示意图。
图3为本发明的基于水面状态连续成像***的波浪传播方向的提取方法中水面状态连续成像***的朝向与正北方向示意。
图4为本发明的基于水面状态连续成像***的波浪传播方向的提取方法的方法流程示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。
该基于水面状态连续成像***的波浪传播方向的提取方法，其主要特点是，所述的提取方法包括以下步骤：
(1)通过水面状态连续成像***采集探测区域中的波浪的回波，并进行采样成像，组成N帧回波图像序列；
(2)对步骤(1)中获取的N帧回波图像序列进行预处理，滤除噪声；
(3)对滤噪后的N帧回波图像序列进行处理，获取该N帧回波图像序列的像素点运动矢量集
(4)获取步骤(3)中的N帧回波图像序列的像素点运动矢量集中所有像素点的运动速度的权值，以及获取所有像素点的整体运动方向；
(5)根据水面状态连续成像***朝向θradar和参考方向，对所述的所有像素点的整体运动方向进行相对坐标校正。
所述的N的取值为2m，且m为正整数。
所述的m大于等于5，且小于等于8。
所述的步骤(2)具体为：
通过中值滤波法对其获取的N帧回波图像序列进行预处理，滤除该N帧回波图像序列中的背景噪声。
所述的步骤(3)具体为：
对滤噪后的N帧回波图像序列进行光流运动估计处理，获取该N帧回波图像序列的像素点运动矢量集
所述的步骤(4)具体为：
将该N帧回波图像序列的像素点运动矢量集中所有像素点的运动速度作为权值，并将所有像素点方向θ进行加权平均，获取所有像素点的整体运动方向Θ，其中所有像素点的整体运动方向Θ的计算公式如下：
其中，θi与分别为像素点运动矢量集中第i个像素点移动方向以及速度大小，N为该N帧回波图像序列中所有像素点的个数。
所述的参考方向为正北方向，且所述的步骤(5)具体为：
根据正北方向以及水面状态连续成像***朝向θradar，将所述的所有像素点的整体运动方向Θ进行相对坐标校正，得到以正北方向为参考方向的波浪传播方向θwave，校正方法如下：
θ＝90+θradar-Θ；
所述的水面状态连续成像***可为X波段雷达***、红外以及可见光成像***。
请参阅图4，在一种具体实施例中，该水面状态连续成像***为一X波段测波雷达时，不同机型的X波段雷达机型均适用，在对海浪进行方向提取时，所述的提取方法具体包括以下步骤：
(1)请参阅图1，通过X波段雷达采集N帧回波图像序列，首先X波段雷达对连续采集的回波进行采样以及成像，组成N帧回波图像序列，且通常N的取值为2m，m的值通常是大于等于5、小于等于8的正整数，且该N帧回波图像序列在水平方向与垂直方向上的像素点数通常取2n，N的值通常也是大于等于5、小于等于8的正整数，图像距离单元分辨率通常为7.5m，也即每个图像像素点大小为7.5×7.5m2。图像序列示意图如图1所示，图中的Δt为连续两帧图像之间的时间间隔(也即X波段雷达的天线转一圈的时间)。
(2)利用中值滤波对收集到的N帧回波图像序列进行预处理，滤除图像中的背景噪声，具体为：对于给定的N个像素(N为奇数)的灰度值(a1，a2，…，aN)，将其按大小进行排序，将排在中间的灰度值替代待处理的像素点的原始灰度，其实质是用与相邻像素接近的灰度值来取代与相邻像素相差较大的灰度，按此操作遍历图像，即可得到平滑后的、滤除噪声后的图像。
(3)使用光流法对图像进行分析，由于在X波段雷达采集N帧回波图像序列的时间段内，海浪的运动方向基本上是不变的，因此该X波段雷达采集的N帧回波图像序列基本上满足光流法的三要素：运动速度场(海浪传播)、携带运动信息的部分(有灰度的像素点)以及从海面场景到雷达图像平面的成像投影。将光流法应用到X波段雷达回波图像序列，可以得到一段时间内一定帧数的图像像素点的运动矢量集，将预处理的图像序列进行光流运动估计，得到N帧回波图像序列中所有像素点运动矢量集且光流基本方程为：
I(x,y,t)＝I(x+dx,y+dy,t+dt)；
式中，I(x,y,t)为图像中像素点(x,y)在时刻t时的灰度值。将上式右边进行一阶泰勒级数展开，可以得到：
设定像素点的速度矢量则可以得到像素点灰度对时间的变化率等于灰度的空间梯度与运动速度的点乘积：
也即：
上式可进一步表示为：根据最小二乘法以及光流法的目的，使最小的速度矢量即为最终计算结果，因此有图2为利用光流法得到的图像中各个像素点的运动矢量场示意图，图中的每个箭头都表示图像中的像素点的运动的速度大小和方向。
(4)获取所有像素点的整体运动方向Θ。由于各个像素点运动矢量包含运动速度与方向，运动速度大小代表着像素点相对偏移值的大小，与海浪传播方向一致的像素点的相对偏移也会较大。因此为了得到最终最优的海浪传播方向，将运动速度作为权值，对所有像素点方向进行加权平均，可以很好的综合利用估算出的运动速度与方向值，提高浪向计算结果的准确度。对上述运动矢量集中所有像素点的运动速度作为权值，并对所有像素点的方向θ进行加权平均，以获取所有像素点集的整体运动方向Θ，综合估算出像素点的运动速度与方向值，提高最终浪向计算结果的准确度。加权平均表达式如下：
其中，θi与分别为图像序列中第i个像素点移动方向以及速度大小，N为X波段雷达收集到的N帧回波图像序列中所有像素点的个数。
(5)根据参考坐标和X波段雷达朝向θradar进行相对坐标校正，请参阅图3，参考方向选取为正北方向，由于雷达朝向与正北方向存在夹角，因此需要将得出的所有像素点整体的运动方向进行校正，此处即为联合正北方向及X波段雷达朝向θradar将上述得到的整体运动方向Θ进行相对坐标校正，校正的公式如下：
θ＝90+θradar-Θ；
采用了该发明中的基于水面状态连续成像***的波浪传播方向的提取方法，由于其利用水面状态连续成像***对水面状态进行连续成像，从波浪的时域信号出发，利用成像***所成的图像序列中相邻图像之间的回波强度的偏移方向来直接估算浪向，将光流运动方法应用到成像***所成的图像序列，可以简单、高效的提取整个图像序列中各个像素点的运动方向，将图像序列中的每个像素点的运动矢量进行加权平均即可得到波浪的真实传播方向，采用本发明中的技术方案，能够很好的湖面/海面/河面的波浪状态进行分析，本发明的核心就在于基于水面连续成像***对波浪的传播方向进行提取，整个发明实用性强，且适用性广，不仅适用于岸基水面状态连续成像***，还适用于船载水面状态连续成像***，并且能够实时、快速、准确、稳定的反演出波浪传播方向，而无需像基于频域的波浪传播方向预测那样，需要提前得到调制传递函数以及精确的水流大小和方向，减少了由于水流估算的不准确以及调制传递函数自身的误差而给浪向提取结果带来的影响。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (8)

1.一种基于水面状态连续成像***的波浪传播方向的提取方法，其特征在于，所述的提取方法包括以下步骤：
(1)通过水面状态连续成像***采集探测区域中的波浪的回波，并进行采样成像，组成N帧回波图像序列；
(2)对步骤(1)中获取的N帧回波图像序列进行预处理，滤除噪声；
(3)对滤噪后的N帧回波图像序列进行处理，获取该N帧回波图像序列的像素点运动矢量集
(4)获取步骤(3)中的N帧回波图像序列的像素点运动矢量集中所有像素点的运动速度的权值，以及获取所有像素点的整体运动方向；
(5)根据水面状态连续成像***朝向θradar和参考方向，对所述的所有像素点的整体运动方向进行相对坐标校正。
2.根据权利要求1所述的基于水面状态连续成像***的波浪传播方向的提取方法，其特征在于，所述的N的取值为2m，且m为正整数。
3.根据权利要求2所述的基于水面状态连续成像***的波浪传播方向的提取方法，其特征在于，所述的m大于等于5，且小于等于8。
4.根据权利要求1所述的基于水面状态连续成像***的波浪传播方向的提取方法，其特征在于，所述的步骤(2)具体为：
通过中值滤波法对其获取的N帧回波图像序列进行预处理，滤除该N帧回波图像序列中的背景噪声。
5.根据权利要求1所述的基于水面状态连续成像***的波浪传播方向的提取方法，其特征在于，所述的步骤(3)具体为：
对滤噪后的N帧回波图像序列进行光流运动估计处理，获取该N帧回波图像序列的像素点运动矢量集
6.根据权利要求1所述的基于水面状态连续成像***的波浪传播方向的提取方法，其特征在于，所述的步骤(4)具体为：
将该N帧回波图像序列的像素点运动矢量集中所有像素点的运动速度作为权值，并将所有像素点方向θ进行加权平均，获取所有像素点的整体运动方向Θ，其中所有像素点的整体运动方向Θ的计算公式如下：
其中，θi与分别为像素点运动矢量集中第i个像素点移动方向以及速度大小，N为该N帧回波图像序列中所有像素点的个数。
7.根据权利要求6所述的基于水面状态连续成像***的波浪传播方向的提取方法，其特征在于，所述的参考方向为正北方向，且所述的步骤(5)具体为：
根据正北方向以及水面状态连续成像***朝向θradar，将所述的所有像素点的整体运动方向Θ进行相对坐标校正，得到以正北方向为参考方向的波浪传播方向θwave，校正方法如下：
θ＝90+θradar-Θ；
&theta; w a v e = 360 + &theta; i f &theta; < 0 &theta; w a v e = &theta; i f &theta; &GreaterEqual; 0 .
8.根据权利要求1所述的基于水面状态连续成像***的波浪传播方向的提取方法，其特征在于，所述的水面状态连续成像***可为X波段雷达***、红外以及可见光成像***。
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