基于海面起伏目标SAR图像再聚焦的海浪参数获取方法与流程

本发明属于海洋遥感信息提取领域与合成孔径雷达信号处理领域，特别是海洋遥感海浪信息提取与合成孔径雷达数据精细处理领域，涉及一种基于海面起伏目标SAR图像再聚焦的海浪参数获取方法。
背景技术：
：在海洋动力环境的研究中，海浪是一个重要要素，是海洋学研究中重要的参量，因此预测和获取海浪的信息与海洋军事技术及海上安全航行等有着十分密切的关系，具有十分重要的科学意义和实用价值。现有的海洋监测手段主要有浮标、潜标等传统方式以及卫星、激光、雷达等新兴的无线电遥测方式。传统监测手段探测的区域范围有限，往往只能探测到若干个点、线上的数据，且容易受到高海况、台风、海啸等恶劣气候的限制，工作效率低下。而各种新兴的无线电遥测手段可以有效避免这一限制，因而迅速发展起来。卫星遥测具有全球覆盖的优点，但是探测周期较长，分辨率较低；微波岸基雷达分辨率高，可以提供较为全面的海浪、海流信息，精度较高，目前在船舶雷达、岸基港口、重要航道等地方已经大量部署，但是由于传播衰减大，其探测距离有限，一般只能探测到若干公里内，难以满足中远程海洋环境监测；近年来发展的基于GNSS的无源福射雷达可以探测海面风场、浪场，但是探测的距离和面积有限，使其具有一定的局限性；岸基高频地波雷达能够克服上述困难，既能提供大面积的资料，又能够提供连续时间系列的海浪、海流和海面风速资料，但其造价高、天线占地面积大，更重要的是对于近岸地区存在较大的盲区，难以获得近岸几公里内海浪的重要信息。因此总的来说，目前海洋遥感海浪信息提取这一领域仍存在以下技术问题：处理手段繁琐、无法准确获得近海岸信息、造价高、天线占地面积大、探测距离有限等问题。技术实现要素：(一)要解决的技术问题本发明提供了一种基于海面起伏目标SAR图像再聚焦的海浪参数获取方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。(二)技术方案根据本发明的一个方面，提供了一种基于海面起伏目标SAR图像再聚焦的海浪参数获取方法，包括以下步骤：获取目标区域的SAR图像，对该SAR图像中包含运动目标子图像的数据应用基于反变换和ISAR运动补偿的再聚焦算法，得到聚焦后的SAR图像及该图像对应的相位误差补偿曲线；对所述相位误差补偿曲线进行正弦函数的拟合，得到正弦函数形式的相位误差补偿拟合曲线；将所述正弦函数形式的相位误差补偿拟合曲线结合海浪起伏运动模型中相位误差表达式进行对应分析，得到起伏运动目标的运动幅度与周期；以及根据起伏运动目标的运动幅度与周期推知海浪的浪高与周期等参数。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本发明提供的基于海面起伏目标SAR图像再聚焦的海浪参数获取方法，至少具有以下有益效果其中之一：1、本发明建立了起伏运动目标的误差模型，并定量分析得到了误差结果，创新地采用了基于反变换与ISAR运动补偿的再聚焦的方法实现海浪参数获取，在完成运动目标再聚焦的同时，可以更精确、更简便地得到海浪参数的获取结果。2、通过对SAR图像数据的精细处理，便可得到海浪的浪高和周期的参数获取结果，处理过程简单快速，成本较低，结果准确，基于此方法具有上述数据分析处理优势，仅需要在测量区域放置轻小浮标，监测方式简单容易实施，没有测量区域限制。附图说明图1为基于海面起伏目标SAR图像再聚焦的海浪参数获取方法的技术流程图。图2为起伏运动目标点-卫星-地球地理示意图。图3为基于反变换与ISAR运动补偿的再聚焦处理算法流程图。图4为ISAR算法中距离对准算法处理流程图。图5为ISAR算法中距离相位校正处理流程图。图6为Terra-SAR滑动聚束高分辨率模式下中国旅顺某岛近海岸SAR图像。图7为googleearth显示与图6对应的光学图像。图8为经过重聚焦处理前后的实验结果对比图。图9为聚焦效果良好对应的相位误差补偿曲线图。具体实施方式本发明提供了一种基于海面起伏目标SAR图像再聚焦的海浪参数获取方法，通过采用基于反变换与ISAR运动补偿与再聚焦的算法实现海浪参数的精确获取。为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步详细说明。在本发明的一个实施例中，提供了一种基于海面起伏目标SAR图像再聚焦的海浪参数获取方法。图1为基于海面起伏目标SAR图像再聚焦的海浪参数获取方法的技术流程图。参照图1，基于海面起伏目标SAR图像再聚焦的海浪参数获取方法，包括以下步骤：步骤A：建立海浪起伏运动的模型，并定量分析其引起的斜距误差，进而得到由斜距误差导致的相位误差表达式；起伏运动表达式：斜距误差：相位误差：其中表示目标点起伏运动的矢量，ΔR(η)表示斜距误差，表示建模推导出的相位误差，Av表示起伏运动的幅度，λ表示脉冲波长，γ表示下视角与地心角的和，ω表示起伏运动的周期，η表示起伏运动对应的任意时刻，表示初相角。在观测海域放置轻小浮标，作为海浪起伏运动的目标点。图2为观测目标点-卫星-地球地理示意图，如图2所示，T表示静止目标点，S表示任意方位时η的卫星位置，S’表示该时刻的卫星星下点。假设T沿着地球矢径方向存在正弦振动形式的起伏，P表示目标点起伏运动的瞬时位置。基于上述，该步骤A中3个公式的推导过程如下：表示目标点起伏运动的矢量：该时刻静止目标与卫星之间的瞬时斜距矢量为所以可以得到起伏目标该时刻的瞬时斜距大小为：应用地理关系和向量知识，可以得到近似的起伏目标瞬时斜距大小为：则可推导出由起伏目标运动引起的瞬时斜距误差为：瞬时斜距误差引起的相位误差为：根据公式(3)相位误差表达式可以看出：起伏运动引起的相位误差为简谐振动形式，且参照目标点起伏运动矢量表达式来看，起伏运动引起的相位误差与起伏运动具有相同的周期，其幅度由起伏运动幅度、下视角、目标与卫星间的地心角及脉冲波长共同决定。在步骤A建立海浪运动目标模型推导出相位误差表达式之后，在后续的步骤D的执行过程中可以直接调用，而不需要重复推导。当然，如果该模型已知，且相位误差表达式也是已知的话，则步骤A可以省略。特别注意的是，在分析不同区域海浪信息时，上述步骤A建立的海浪起伏运动模型建立一次即可，不必每次都重新建模，推导出来的误差表达式在后续分析不同区域海浪信息时可以直接调用。步骤B：获取目标区域的SAR图像，对该SAR图像中包含运动目标子图像的数据应用基于反变换和ISAR运动补偿的再聚焦算法，得到聚焦后的SAR图像及该图像对应的相位误差补偿曲线；图3为基于反变换与ISAR运动补偿的再聚焦处理算法流程图，如图3所示，上述步骤B对起伏运动的目标数据实施基于反变换和ISAR(InverseSAR/逆合成孔径雷达)运动补偿再聚焦算法进一步包括：子步骤B1：利用在目标区域通过采集信息获得的SAR图像，从中提取含有起伏运动目标的子图像；子步骤B2：对含有起伏运动目标的子图像作方位傅里叶变换，得到方位压缩前的等效原始数据；该数据可以认为是完全补偿过静止目标与卫星间运动后的方位未聚焦数据，可以作为输入ISAR处理聚焦的原始数据，在距离频域可以等效为下式：其中，f0代表载频，B代表发射脉冲带宽，Ts代表成像时间，R(η)代表由于目标的起伏运动导致的目标与卫星间的瞬时斜距：R(η)＝R0+ΔR(η)(7)子步骤B3：将上述步骤B2中得到的等效原始数据采用距离对准算法进行再聚焦处理，用以校正由起伏运动引起的距离徙动误差，得到距离徙动误差校正曲线；图4为ISAR算法中距离对准算法处理流程图，如图4所示，所述距离对准算法采用全局最小熵距离对准算法，对距离向数据做32倍插值得到优于距离分辨率32倍的距离对准精度，可以完全校正由起伏运动引起的距离徙动误差。图4中对方位未压缩数据应用的最小熵距离对准算法，实现了目标的距离向包络对齐，在不需要提供先验知识的情况下，消除运动产生的相邻回波在距离向上的错位。建立最优化问题的模型，目标函数为所有一维距离像和的熵值，可以表示为：pave(r)表示所有目标一维距离像的和：其中r为距离向采样点，Δr(n)代表第n个回波的距离偏移量。pave(r)的锐化度可以用来衡量回波包络对齐的程度，锐化度达到最高时，回波基本对齐。而香农熵可以用来衡量pave(r)的锐化程度，波形锐化度越高，熵值越小，因此最优化准则为pave(r)的熵值最小，通过迭代可以得到Δr(n)全局最优解，具体算法步骤描述如下：步骤S401：初始化偏移量Δr(n)；步骤S402：计算当前的pave(r)；步骤S403：计算pave(r)的熵值，如果不再减小则得到偏移量Δr(n)的最终估计值，退出循环算法，否则执行步骤S404；步骤S404：计算的值，根据如下公式进行计算：步骤S405：利用FFT将与每个脉冲进行相关；步骤S406：取互相关函数的绝对值达到最大时的Δr(n)作为该次迭代所要求的距离偏移量，获得新的pave(r)，返回步骤402。子步骤B4：对步骤B3得到的距离徙动误差校正曲线的数据进一步进行相位校正，采用相位补偿算法校正由起伏运动引起的相位误差，得到相位误差补偿曲线；图5为ISAR算法中距离相位校正处理流程图，如图5所示，所述相位补偿算法采用基于变步长梯度下降法的最小熵相位校正算法，得到最优运算效率和结果。建立求解补偿相位使图像聚焦效果最好的最优化问题模型，目标函数为一幅图像的熵值，表示如下：其中n为方位向采样点，g(r,n)为经过相位补偿的图像，可以表示为：其中f(r,m)表示距离对准后方位频域的数据，表示第m个回波的相位补偿量。图像的聚焦程度可以用图像的熵来衡量，聚焦程度越高，图像的熵就越小，图像也越清晰。因此最优化准则为熵的值达到最小，在给定补偿相位初始值的情况下，利用数值迭代算法逐渐逼近最终求解目标函数，得到的全局最优解，另外实验以变步长的梯度下降法寻找的值，进一步提高了迭代的计算速度，同时保证了最终的图像质量。基于变步长梯度下降法的最小熵相位校正算法的具体实施步骤如下：步骤S501：初始化补偿相位为零；步骤S502：计算熵函数在当前位置的梯度向量grad；步骤S503：确定沿着梯度的负方向改变量的大小即需要确定步长参数Step；其中步骤S503中采用变步长的方案，其具体的原理是通过每次将步长减半使算法快速地向最小值熵收敛，当收敛至最小值熵附近时，通过不断微调步长得到最优化的结果。步骤S504：将得到的和相加，作为新的获取值，并用新的相位获取值对原图像进行补偿，得到新的图像，循环至步骤S502，直到Step＝0。子步骤B5：对步骤B4得到的相位误差补偿曲线的数据作方位聚焦处理，最终得到聚焦后的SAR图像。其中，所述方位聚焦采用傅里叶变换或傅里叶反变换实现。在算法执行过程中，最终输出结果为聚焦效果良好的SAR图像与相位误差补偿曲线，二者存在一一对应关系。步骤C：对步骤B4中得到的相位误差补偿曲线结合步骤B3得到的距离徙动校正曲线中的一次拟合项来进行正弦函数的拟合，得到正弦函数形式的相位误差补偿拟合曲线；步骤D：将步骤C得到的正弦函数形式的相位误差补偿拟合曲线结合步骤A建立的海浪起伏运动模型中的相位误差表达式进行对应分析，得到起伏运动目标的运动幅度与周期；相位误差补偿曲线代表着每一个脉冲对应补偿的相位为而脉冲数代表着方位向采样点，即等同于方位向时间：散焦目标经过相位校正后得到聚焦效果良好的SAR图像，可以认为相位误差被完全补偿，即所得到的相位误差补偿曲线中的补偿相位就是第一步中分析得到的误差相位：通过对补偿相位的正弦拟合可以得到函数的周期T0和幅度A0，则通过公式(14)可以得到起伏运动的周期T和幅度A分别为：步骤E：根据起伏运动目标的运动幅度与周期推知海浪的浪高与周期等参数。具体根据起伏运动目标的运动参数获取海浪参数的推导过程如下：假设目标质量为m，静止时浮力与重力平衡海浪浪高为h0，则物体所受浮力增大至：Fs＝ρgS(h+h0)(17)物体受到向上的浮力作用引起起伏运动，其从静止位置运动到最高点是四分之一个周期，所能达到的高度即为物体起伏运动的幅度。其中A是物体起伏运动的幅度，a为加速度。需要说明的是上式(19)是一种粗略的近似，实际海浪引起的物体所受浮力增大量应比上述所计算要小，所以A也应比上式中的结果要小，其比例在四分之一到二分之一左右，即：可以看到A与h成反比，h反应的是物体的吃水深度，与物体本身重量成正比，因此物体的起伏幅度与物体本身重量成反比，这符合常识。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属
技术领域：
中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对建立海浪运动的模型定义并不仅限于实施例中提到的各种具体表达式与具体观测模型，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：(1)获取SAR图像除了利用卫星，还可以采用其他形式，诸如飞机、热气球、微波岸基雷达等携带有雷达发射与接收装置的通讯形式，然后建立相应的起伏运动模型即可；(2)海浪运动模型除了简谐运动之外可以用其他描述波动的函数来代替。利用本实施例的技术方案，具体对中国旅顺附近海域的某岛海岸的海浪参数进行获取。图6为Terra-SAR滑动聚束高分辨率模式下中国旅顺某岛近海岸SAR图像；图7为googleearth显示与图6对应的光学图像。用作处理的数据来自Terra-SAR卫星滑动聚束模式下中国旅顺附近海域的某岛海岸。表1为图6对应图像相关的参数。结合图6与图7可以看出海岛边呈胡须状散焦的直线是拴在岸边的浮桶，由于海浪的作用存在上下起伏的运动，取某一条亮线做实验，得到经过重聚焦处理前后的对比图，如图8所示，然后得到对其补偿的相位曲线如图9所示，通过对图9做正弦拟合，并结合距离徙动校正曲线，考虑仍然存在一定的误差，得到起伏运动的获取参数结果为：Ae＝0.14～0.25mTe＝2.8～3.5s其中Ae表示获取的幅度，Te表示获取的周期，考虑到浮桶本身具有重量，导致浮桶起伏运动的浪高应为获取幅度的十倍左右，周期应与起伏运动的周期相当，故获取得到的海浪参数结果为：As＝1.4～2.5mTs＝2.8～3.5s其中As表示海浪浪高，Ts表示海浪周期。经查阅资料可知，中国旅顺属于渤海海域，其海浪浪高平均在0.5～2m范围内，周期在3～5s内，获取得到的海浪参数在其范围内说明了本方法的正确性，同时具有一定的精确度。表1Terra-SAR旅顺岛数据对应参数雷达参数数值雷达参数数值λ0.03112mPRF42300带宽300MHz下视角38.799°采样率329.658MHz地心角3.13°近距613.981km距离分辨率0.5m合成孔径时间5.39s方位分辨率0.25m至此，本发明实施例介绍完毕。综上所述，本实施例通过对含有运动目标的SAR图像数据采用基于反变换与ISAR运动补偿与再聚焦的算法进行相位误差的精确获取，与建立的海浪运动模型中的误差表达式进行比对，便可得到海浪的浪高和周期等参数获取结果，处理过程简单快速，成本较低，结果准确，并且基于此方法具有上述数据分析处理优势，仅需要在测量区域放置轻小浮标，监测方式简单容易实施，可以精确测量近海岸信息，占地面积小，且不受海域的限制。当然，根据实际需要，本发明提供的基于海面起伏目标SAR图像再聚焦的海浪参数获取方法还包含其他的常用算法和步骤，由于同发明的创新之处无关，此处不再赘述。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页1 2 3