船载X波段测波雷达回波图像的预处理方法与流程

本发明涉及无线电海洋遥感技术领域，尤其涉及X波段雷达海洋遥感技术领域，具体是指一种船载X波段测波雷达回波图像的预处理方法。

背景技术：

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。随着科技的进步、军事的发展，各个国家对海洋安全与海洋环境越来越关注，岸基X波段测波雷达小范围的海洋观测已经不能满足目前发展的需要。目前，为了充分发挥测波雷达的优势以及结合日益增多的船舶优势，各个国家都在大力发展船载X波段测波雷达技术。船载X波段测波雷达随船舶航行在海洋表面，不可避免的会受到海洋表面状态作用而导致船体晃动，而这些晃动可能会对船载X波段测波雷达有如下影响：

1)雷达照射区海浪回波谱的频移和展宽。从速度调制的角度看，由于平台运动的速度在各个方向的径向分量不同，导致雷达波束照射不同区域海浪收到的调制不一样，表现为回波谱的多普勒频率不同；从能量角度看，平台的运动破坏了海浪原有的空间相关特性，使其相关时间变短，频谱中回波能量沿方位展开成较宽的展宽谱。

2)雷达波束覆盖海区发生变化。不同天线旋转周期中获得的回波空间分布图像反映的不完全是同一观测区域的特征，这主要由平台的平动和转动引起。

3)天线波束的摆动。主要由船舶绕水平面两个轴的晃动引起，其直接后果就是引起海面回波强度的变化。这种影响相当于在回波上增加了一个随机的幅度调制，同样会造成回波谱的展宽。

船舶运动会导致X波段测波雷达海态参数反演结果与实际结果有一定偏差，因此在利用岸基测波雷达技术来对船载雷达图像进行海态参数反演之前，需要对船载X波段测波雷达回波图像进行相关的预处理。目前国际上船载X波段测波雷达相关报道较少，而且主要方法是直接将岸基测波雷达技术直接应用至船载雷达上，将计算出的海流结果消除船速影响即被认为是真实海流。但此方法只考虑了船舶前行速度而没有考虑其它因素，因此会导致海流以及海浪计算结果偏差较大。

至今为止，并没有专门针对船载X波段测波雷达回波图像预处理的方法。本发明技术可适用于能对海面/湖面波浪状态进行连续成像的系统，如X波段测波雷达，并且可应用于各种不同X波段雷达机型。本发明的核心在船载X波段测波雷达海态信息提取，适用性广，实用性强。

技术实现要素：

本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种能够实现对海上船舶运动模型进行分析的基础上，提供了对船载X波段测波雷达回波图像序列进行校正以满足海态参数提取要求的船载X波段测波雷达回波图像的预处理方法。

为了实现上述目的，本发明的船载X波段测波雷达回波图像的预处理方法具有如下构成：

该船载X波段测波雷达回波图像的预处理方法，包括以下步骤：

(1)对船舶运动形式进行研究，将船舶在海上的运动状态定义为六个自由度的运动：艏摇、横摇、纵摇、垂荡、横荡和纵荡；

(2)根据船舶运动状态建立海上运动模型，在不同运动状态下，对X波段测波雷达回波图像的影响大小进行评估；

(3)根据评估结果，将船舶艏摇和横荡的影响忽略不计；

(4)基于船舶垂荡和纵荡不影响雷达接收到的信号电平的事实，将船舶看作传输函数，船舶的横摇、纵摇看作船舶对海浪扰动的响应，计算接收到的信号电平损失；

(5)实时获得实际距离分辨单元与参考距离分辨单元之间的偏移量，并对测波雷达回波图像序列进行校正以满足后续海态参数反演要求。

较佳地，所述的对X波段测波雷达回波图像的影响大小进行评估，具体为：

将艏摇和横荡的影响忽略不计，将垂荡定义为最大起伏高度小于20m，并将纵荡定义为船舶以固定船速向前航行，并评估船舶的横摇、纵摇、垂荡和纵荡对雷达回波的影响。

较佳地，所述的步骤(4)包括以下步骤：

(4-1)根据船舶的水动力设计和Conolly线性方程，将船舶看作传输函数，船舶的横摇、纵摇看作船舶对海浪扰动的响应，所述的Conolly线性方程表达式为：

其中，N_ψ为无因次阻尼衰减系数，I_ψ为横摇相对横摇轴的转动惯量，ΔI_ψ为附加转动惯量，D为船舶的排水量，h为船体横摇心高，ψ、分别为横摇角、横摇角速度和横摇角加速度，α_e为有效波倾角；

(4-2)对所述的Conolly线性方程进行拉普拉斯变换，得到船体横摇运动的传递函数：

其中，s为拉普拉斯算子；

(4-3)将海浪有效波倾角的幅度α_e代入所述的体横摇运动的传递函数响应系统，得到船舶的横摇角ψ，根据以下公式计算有效波倾角的幅度α_e：

其中，γ为浪向角，ω_i为离散化的波浪频率，Δω为离散化的海浪频率分辨率；

(4-4)利用船舶姿态传感器得到的船舶横摇角ψ(t)、纵摇角根据以下公式计算当测波雷达接收天线倾斜后，接收到的最大信号电平：

其中，E为发射水平电磁波极化矢量，分别表示水平方向和垂直方向，r为传播方向，e^-jkr/4πr为路径扩散因子；h'为受船舶横摇纵摇影响的接收水平电磁波极化矢量，V_oc为天线接收到的最大信号电平，h_i为未受船舶横摇纵摇影响的原始接收水平电磁波极化矢量的大小，E_i为发射水平电磁波傅氏场的大小。

较佳地，所述的步骤(5)具体为：

忽略由船舶晃动而造成的测波雷达回波信号电平损失，根据雷达目标探测原理，并通过设置于船舶的姿态传感器设备得到的横摇角ψ(t)、纵摇角垂荡高度Δh和纵荡速度v，实时获得实际距离分辨单元与参考距离分辨单元之间的偏移量，对回波图像进行相应搬移和插值处理，使不同时刻各个分辨单元对应的实际海面位置在空间上对齐并对测波雷达回波图像序列进行校正。

较佳地，所述的海态参数反演，具体为：

船载X波段测波雷达天线架设高度已知，雷达有效探测范围为600～4000m，对收集的N帧回波图像序列进行三维回波图像序列谱分析，其中，N取值为2^m，m取值为大于或等于4的正整数，图像距离单元分辨率取值为7.5m

较佳地，所述的步骤(5)后还包括步骤(6)：

(6)将岸基测波雷达海态参数提取方法应用至经过校正的图像序列，以去除船体运动对测波雷达的影响。

采用了该发明中的船载X波段测波雷达回波图像的预处理方法，发展了船载X波段测波雷达技术，为运动平台下的X波段测波雷达提供了一种新方法；计算方法简单，占用资源少；利用小型X波段雷达作为探测工具，具有全天候、低成本等优点；不仅适用于X波段测波雷达，还适用于红外及可见光海面成像雷达，具有广泛的应用范围。

附图说明

图1本发明的船舶海面运动坐标系示意图。

图2本发明的最小船舶体积假设条件下的船体横摇、纵摇角。

图3本发明的由于极化方式失配造成的电平损失随倾斜角变化情况的示意图。

图4本发明的船体垂荡过程中雷达天线高度变化与海面回波位置对应关系的示意图。

图5本发明的船体横摇过程中雷达天线偏移与海面回波位置对应关系的示意图。

图6本发明的船体纵摇过程中雷达天线偏移与海面回波位置对应关系的示意图。

图7本发明的船体前行过程海面回波位置的示意图。

图8本发明的船体航行过程中雷达探测区域距离单元变化的示意图。

图9本发明的未受船舶运动影响的雷达回波频谱与回波校正后频谱的对比图。

图10本发明的船载X波段测波雷达回波图像的预处理方法的流程示意图。

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。

该船载X波段测波雷达回波图像的预处理方法，包括以下步骤：

(1)对船舶运动形式进行研究，将船舶在海上的运动状态定义为六个自由度的运动：艏摇、横摇、纵摇、垂荡、横荡和纵荡；

(2)根据船舶运动状态建立海上运动模型，在不同运动状态下，对X波段测波雷达回波图像的影响大小进行评估；

(3)根据评估结果，将船舶艏摇和横荡的影响忽略不计；

(4)基于船舶垂荡和纵荡不影响雷达接收到的信号电平的事实，将船舶看作传输函数，船舶的横摇、纵摇看作船舶对海浪扰动的响应，计算接收到的信号电平损失；

(5)实时获得实际距离分辨单元与参考距离分辨单元之间的偏移量，并对测波雷达回波图像序列进行校正以满足后续海态参数反演要求。

在一种较佳的实施方式中，所述的对X波段测波雷达回波图像的影响大小进行评估，具体为：

将艏摇和横荡的影响忽略不计，将垂荡定义为最大起伏高度小于20m，并将纵荡定义为船舶以固定船速向前航行，并评估船舶的横摇、纵摇、垂荡和纵荡对雷达回波的影响。

在一种较佳的实施方式中，所述的步骤(4)包括以下步骤：

(4-1)根据船舶的水动力设计和Conolly线性方程，将船舶看作传输函数，船舶的横摇、纵摇看作船舶对海浪扰动的响应，所述的Conolly线性方程表达式为：

其中，N_ψ为无因次阻尼衰减系数，I_ψ为横摇相对横摇轴的转动惯量，ΔI_ψ为附加转动惯量，D为船舶的排水量，h为船体横摇心高，ψ、分别为横摇角、横摇角速度和横摇角加速度，α_e为有效波倾角；

(4-2)对所述的Conolly线性方程进行拉普拉斯变换，得到船体横摇运动的传递函数：

其中，s为拉普拉斯算子；

(4-3)将海浪有效波倾角的幅度α_e代入所述的体横摇运动的传递函数响应系统，得到船舶的横摇角ψ，根据以下公式计算有效波倾角的幅度α_e：

其中，γ为浪向角，ω_i为离散化的波浪频率，Δω为离散化的海浪频率分辨率；

(4-4)利用船舶姿态传感器得到的船舶横摇角ψ(t)、纵摇角根据以下公式计算当测波雷达接收天线倾斜后，接收到的最大信号电平：

其中，E为发射水平电磁波极化矢量，分别表示水平方向和垂直方向，r为传播方向，e^-jkr/4πr为路径扩散因子；h'为受船舶横摇纵摇影响的接收水平电磁波极化矢量，V_oc为天线接收到的最大信号电平，h_i为未受船舶横摇纵摇影响的原始接收水平电磁波极化矢量的大小，E_i为发射水平电磁波傅氏场的大小。

在一种较佳的实施方式中，所述的步骤(5)具体为：

忽略由船舶晃动而造成的测波雷达回波信号电平损失，根据雷达目标探测原理，并通过设置于船舶的姿态传感器设备得到的横摇角ψ(t)、纵摇角垂荡高度Δh和纵荡速度v，实时获得实际距离分辨单元与参考距离分辨单元之间的偏移量，对回波图像进行相应搬移和插值处理，使不同时刻各个分辨单元对应的实际海面位置在空间上对齐并对测波雷达回波图像序列进行校正。

在一种较佳的实施方式中，所述的海态参数反演，具体为：

船载X波段测波雷达天线架设高度已知，雷达有效探测范围为600～4000m，对收集的N帧回波图像序列进行三维回波图像序列谱分析，其中，N取值为2^m，m取值为大于或等于4的正整数，图像距离单元分辨率取值为7.5m

在一种较佳的实施方式中，所述的步骤(5)后还包括步骤(6)：

(6)将岸基测波雷达海态参数提取方法应用至经过校正的图像序列，以去除船体运动对测波雷达的影响。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：

1.船舶运动形式研究

如图1所示，建立船舶运动形式坐标系来对船舶运动形式进行研究。其中Y轴箭头方向定义为船艏方向，并且与雷达波束照射方向一致。图a中船舶横荡、纵荡、垂荡表示船体分别沿着3个坐标轴的水平与上下运动，图b中船舶纵摇、横摇、艏摇表示船体分别沿着X、Y、Z三个轴旋转，ψ(t)、θ(t)分别表示对应着的纵摇角、横摇角、艏摇角。

为了便于后文对船舶运动模型的仿真研究，此处对船舶的运动特性做如下简化假设：

1)船舶六个自由度的运动互相独立，无耦合作用；

2)船舶周围波浪为规则的波浪，船舶的重量与静水浮力相平衡，船舶在静水中是稳定平衡的，并且这种平衡是静稳定的；

3)船舶由于自身推动力的影响，其航行方向基本不变，也即偏航或者艏摇运动可以忽略不计；

4)船舶航行过程中，其自身推动力只影响航行速度(也即前后运动)，并且引起船舶前后运动的外力只有船体自身驱动力；

5)促使船舶其它形式摇荡的外力主要为波浪力和船体摇荡产生的水动力作用力，以及因船体偏离平衡位置而产生的静水回复力，其它海洋环境因素忽略不计。

2.船舶运动模型分析

船舶的六个自由度的运动中，由于船舶自身驱动力和粘性效应的存在以及天线旋转周期较短，艏摇的影响可以忽略不计；而根据表一给出的船舶横荡的典型参数，船体横荡幅度相比较雷达回波图像距离分辨单元而言非常小，因此横荡影响也可以忽略不计，船舶横荡典型参数信息如表1所示。

表1

船舶纵荡过程可以简单认为船舶以固定船速向前航行。船舶垂荡可以简单理解为船舶随着波浪的起伏过程，由于一般海面最大波高不高于10m，因此可以认为船舶垂荡最大起伏高度小于20m。

根据船舶的水动力设计和性能估算中主要采用的Conolly线性方程，将船舶当作传输函数，船舶的横摇、纵摇是船舶对海浪扰动的响应，Conolly线性方程表达式如下：

其中，N_ψ为无因次阻尼衰减系数，I_ψ和ΔI_ψ分别为横摇相对横摇轴的转动惯量和附加转动惯量，D为船舶的排水量，h为船体横摇心高，ψ、分别为横摇角、横摇角速度和横摇角加速度，α_e为有效波倾角。

对公式(1)进行拉普拉斯变换，可得船体横摇运动的传递函数：

其中，可以根据霍夫阿德公式和尼古拉也夫公式分别得出，s为拉普拉斯算子。

将海浪有效波倾角的幅度α_e输入由传递函数响应系统，即可得到船舶横摇角。有效波倾角的幅度α_e表达式如下：

其中，γ为浪向角，ω_i为离散化的波浪频率。

考虑小型船舶基本体积大小，得到10分钟船舶横摇、纵摇角如图2所示，船舶的横摇纵摇角基本上在20°以内。

根据获得的船舶横摇纵摇角，可以得到当测波雷达接收天线倾斜后，接收到的最大信号电平为：

其中，E为发射水平电磁波极化矢量，分别表示水平方向和垂直方向，传播方向为r，路径扩散因子为e^-jkr/4πr；h'为受船舶横摇纵摇影响的接收水平电磁波极化矢量，h_i为未受船舶横摇纵摇影响的原始接收水平电磁波极化矢量的大小，E_i为发射水平电磁波傅氏场大小；V_oc为天线未倾斜时接收到的最大信号电平，它由入射电磁波与天线极化矢量的点积得来：

其中，h为未受船舶横摇纵摇影响的接收水平电磁波极化矢量。

由式子4，天线在横摇角和纵摇角分别为ψ和φ时由于极化方式失配造成的电平损失随倾斜角变化情况如图3所示。由分析结果可以得出，在最小船舶假设条件下，横摇、纵摇角在20°的范围内，随着倾角的变化而造成的电平损失较小。而且随着横摇、纵摇角的变小，相应的电平损失也会减小，并且基本上损失在10％以内，因此由于船舶晃动而造成的回波信号电平损失影响可以忽略不计。

3.船载雷达回波校正

假定船体在海面只存在垂荡，船舶在海面上下运动带来的影响可以简单表示为船上X波段测波雷达天线距离海平面高度的变化。图4为船体垂荡过程中雷达天线高度变化与海面回波位置对应关系示意图。H₁为船载X波段雷达天线距离海面原始高度，Δh为由于船体垂荡导致天线上升高度，L为理想雷达探测目标与天线的距离在水平面的投影，Δd为由于天线高度变化导致的真实探测位置与原始目标位置的差异值。根据X波段测波雷达目标探测原理，雷达根据发射与接收信号之时间差来判断目标位置，因此图中理想目标距离天线直线距离D₁与真实探测目标距离天线直线距离D₂是相等的。根据下式：

H₁²+L²＝(H+Δh)²+(L-Δd)²……(5)

即可以得到由于船舶垂荡导致的偏移量Δd。假设天线高度H设定为20m，探测目标距离雷达水平距离L为2000m，已经分析得到的天线垂荡最大上升高度Δh为20m。可以求出Δd为0.3m，也即真实探测位置与理想位置的最大偏差远小于测波雷达最小距离分辨单元，故由船体上下运垂荡引起的误差可以忽略不计。

同理，假定船体在海面只存在横摇，此时船舶在海面运动带来的影响可以简单表示为船上X波段测波雷达天线沿着X-Z平面与Z轴的偏移。在天线偏移过程中，假定天线距离海面高度不变，则实际探测位置相较于理想位置近似于横向移动。图5为船体横摇过程中雷达天线偏移与海面回波位置对应关系示意图。H₂为偏移后的X波段雷达天线距离原点长度，这里假定偏移后的天线距离海面高度也为H₂，并且H₁与H₂相等。ψ(t)为由于船体横摇导致天线偏移角度，L₁为真实雷达探测位置与天线的距离在水平面的投影，L与L₁相等。根据下式：

Δd≈H×sin(ψ(t))……(6)

可以得到由于船舶横摇导致的偏移量Δd。

同理，假定船体在海面只存在纵摇，此时船舶在海面运动带来的影响可以简单表示为船上X波段测波雷达天线沿着Y-Z平面的与Z轴方向的偏移。在天线偏移过程中，天线距离原点距离不变，则实际探测位置相较于理想位置近似于纵向移动。图6为船体纵摇过程中雷达天线偏移与海面回波位置对应关系示意图。为由于船体纵摇导致天线偏移角度。根据下式：

可以得到由于船舶横摇导致的偏移量:

同理，假定船体在海面只存在纵荡，船舶航行过程中，假设航行方向不变，而且船体不存在其它运动形式。根据船行驶速度v以及天线旋转周期Δt即可以得到连续两幅回波图之间的偏移距离，然后对这两幅图进行相应平移，即可得到不同时刻同一区域的海面回波图。图7为船体航行过程海面回波位置示意图，图中Y轴方向为船航行方向，每帧图像之间位移距离为Δt×v，对于用来进行三维傅里叶分析的N幅回波图像，第N幅图像相较于第一幅回波图像总共偏移距离为N×Δt×v。X波段测波雷达有效探测范围为600～4000m，为了保证每次进行海浪分析所选取的矩形是对应着同一海域，在N幅矩形图像采集过程中，所有图像选取应在雷达探测范围内。

由于只用考虑船体横摇、纵摇以及纵荡这三种船体运动状态。图8为船体航行过程中雷达探测区域距离单元变化示意图，蓝色为理想探测区域，红色为实际偏移后的区域，黑色箭头表示整体偏移方向。根据实时横摇、纵摇角以及船速信息，利用前面计算各个偏移量的方法，可以得到每帧图像偏移理想位置的距离以及方位信息。对回波图像进行相应搬移以及插值处理，可以使不同时刻各个分辨单元对应的实际海面位置在空间上对齐。

4.结果分析

利用本发明提出的一种船载X波段测波雷达回波图像预处理方法来消除船体运动的影响，将原始图像序列以及校正后的图像序列分别进行无向浪高谱提取，得到原始未受船只运动影响、受船只运动影响后以及回波图像运动校正后的无向浪高谱对比图如图9所示。由图中结果可以发现，受船舶运动的影响，此时从雷达回波图像序列中提取的海浪一维频谱展宽严重，而且分析出来的主波频率偏离原始主波频率值较大。从经过回波校正后的雷达图像序列中提取的一维频谱展宽有所抑制，与原始一维频谱曲线更为吻合，并且此时分析出来的主波频率与原始主波频率值基本一致。通过结果对比，确定了本发明的可行性与有效性。图10所示为本发明的流程图。

采用了该发明中的船载X波段测波雷达回波图像的预处理方法，发展了船载X波段测波雷达技术，为运动平台下的X波段测波雷达提供了一种新方法；计算方法简单，占用资源少；利用小型X波段雷达作为探测工具，具有全天候、低成本等优点；不仅适用于X波段测波雷达，还适用于红外及可见光海面成像雷达，具有广泛的应用范围。

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。