[发明专利]一种利用导航X波段雷达反演海面波高的自动定标算法

摘要

本发明公开一种利用导航X波段雷达反演海面波高的自动定标算法，首先对X波段雷达图像序列作主成分分析获取海面上各点的相对波面位移，选取沿主波波向的径向区域，检测该径向波浪的跨零点周期和相对波高，对周期作无因次化后，根据波高和周期的联合分布函数得到波浪的无因次波高；对该径向的波面位移作傅里叶变换得到相对波数谱，根据波数谱的零阶矩和跨零点相对波高得到波浪的相对波高。建立以最小化无因次波高和相对波高之差为目标的函数，求解该函数可以确定波高。本发明具有不需要外部观测数据、不依赖于雷达系统的优点，因而可以用于岸基和船载导航X波段雷达观测海面的波高。

主权项

1.一种利用导航X波段雷达反演海面波高的自动定标算法，其特征在于：该算法的具体步骤如下：/n步骤1：对导航X波段雷达图像序列作主成分分析，选取空间变化的第一主成分作为海面的波面位移η(r,θ)，其中r是海面上的点到雷达的距离，θ是方位角；由于雷达图像没有定标，该位移是相对值，设波面位移的定标系数为a和b，则真实的波面位移为：/nz(r,θ)＝a+bη(r,θ), (1)/n步骤2：选取沿主波波向传播的径向波面位移z(r,θ_p)，其中θ_p是主波波向，利用一阶导数检测该方向的所有波峰和波谷，根据相邻波峰或者波谷的距离确定波浪的跨零点波长l_0i(i＝1,2,…,n)，根据相邻波峰和波谷的高度差确定跨零点相对波高h_0i(i＝1,2,…,n)，其中n表示波长和波高的数量；/n步骤3：根据波浪的频散关系方程将波长转换为周期t_0i，/n /n其中，为波浪的角频率，为波浪的波数，g为重力加速度，d为观测海区的水深；/n步骤4：将各周期分别除以它们的平均值得到无因次周期，然后作周期分布的直方图，找出频数最大的无因次周期T_0m；根据波高和周期的联合分布密度函数P(H,T)，得到最大无因次周期对应的波高分布函数：/nP(H)＝P(H,T_0m), (3)/n根据该函数的峰值可得最大无因次波高的理论值H_m；/n步骤5：对选取的径向波面位移z(r,θ_p)作傅里叶变换，得到波浪的波数谱S(k)，其中k为波浪的波数；对波数谱积分得零阶矩m₀：/n /n其中，k₁和k₂是波数的下限和上限，分别由雷达的采样频率和采样时间长度决定；/n步骤6：将波高h_0i分别除以零阶矩m₀得到无因次波高H_0i(i＝1,2,…,n)，然后利用无因次波高的直方图找出最大无因次波高H_0m；由于a和b是未知数，H_0m是关于a和b的函数，即：/nH_0m＝H_0m(a,b), (5)/n步骤7：建立以最小化无因次波高的理论值与实测值为目标、以a和b为自变量的函数：/nmin∑|H_0m(a,b)-H_m|², (6)/n用最小二乘法求解方程(6)可得系数a和b，代入方程(1)获取海面的波面位移；再根据步骤2获得海面的波高，取前1/3大波波高的平均值得到海浪的有效波高；/n所述步骤4中波高与周期的联合分布密度函数为：/n /n其中，H是海浪的无因次波高，T是无因次周期，v是常数，取0.2～0.6。/n