本發(fā)明涉及無線電的遙感技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及水面狀態(tài)連續(xù)成像系統(tǒng)的水面遙感技術(shù)領(lǐng)域，具體是指一種基于水面狀態(tài)連續(xù)成像系統(tǒng)的波浪傳播方向的提取方法。

背景技術(shù)：

水面狀態(tài)包括湖面、海面以及河面狀態(tài)，隨著科技的發(fā)展和人類對(duì)新能源、遠(yuǎn)洋的探索興趣和需求的增大，對(duì)湖面、河面以及海面的狀態(tài)遙感技術(shù)也日漸成為科學(xué)家們的研究熱點(diǎn)。

目前，傳統(tǒng)的海上X波段導(dǎo)航雷達(dá)被廣泛應(yīng)用于對(duì)海面的遙感探測(cè)，所謂X波段雷達(dá)(X Band Radar，簡(jiǎn)寫為XBR)是對(duì)火控、目標(biāo)跟蹤雷達(dá)的統(tǒng)稱，其發(fā)出的波長(zhǎng)在3厘米以下，該雷達(dá)能夠360度旋轉(zhuǎn)偵查各個(gè)方向的目標(biāo)。

海浪狀態(tài)作為海洋研究的重點(diǎn)，它是與人類息息相關(guān)的。海洋動(dòng)力學(xué)參數(shù)反應(yīng)的是直接或者間接的通過海浪的各種運(yùn)動(dòng)形式而計(jì)算出來的具體物理量。海態(tài)參數(shù)的提取與分析對(duì)海洋氣候研究、海洋資源開發(fā)、海洋安全、海洋軍事等有著廣泛的意義。海態(tài)參數(shù)主要包含浪高、浪周期、浪向等這些與海浪有著直接以及直觀聯(lián)系的數(shù)值信息，而浪向也稱為波向，代表海浪傳播的方向，它是船舶航行安全以及港口安全的重要參數(shù)。作為高效的海洋觀測(cè)方式之一，X波段測(cè)波雷達(dá)以其高時(shí)空分辨率、輕便靈巧、市場(chǎng)占有率高等特點(diǎn)逐步成為了一種重要的主動(dòng)式海洋遙感手段。X波段電波在隨機(jī)粗糙海面?zhèn)鞑r(shí)會(huì)與海浪產(chǎn)生散射作用，X波段測(cè)波雷達(dá)接收后向散射回波，能夠從回波信號(hào)獲取海流、海浪等海洋參數(shù)。

目前利用X波段測(cè)波雷達(dá)來反演浪向主要是基于以下步驟：首先對(duì)X波段測(cè)波雷達(dá)接收的海面海浪散射電磁波圖像序列進(jìn)行三維傅里葉分析，得到頻域回波圖像譜；其次，利用圖像譜得到海表面流信息，并且通過海流信息構(gòu)造帶通濾波器來提取頻率方向譜；最后，結(jié)合調(diào)制傳遞函數(shù)來從頻率方向譜中提取出浪向。由于海流估算存在不準(zhǔn)確性，這將導(dǎo)致基于海流的帶通濾波也會(huì)失效，進(jìn)而會(huì)影響最終得到的頻率方向譜。同時(shí)，由于陰影調(diào)制、軌道調(diào)制、流體動(dòng)力學(xué)調(diào)制、傾斜調(diào)制的存在，由雷達(dá)圖像得到的海浪圖像譜與現(xiàn)場(chǎng)浮標(biāo)等工具測(cè)得的海浪譜之間存在著差異，而利用經(jīng)驗(yàn)調(diào)制傳遞函數(shù)來對(duì)這種差異進(jìn)行調(diào)整時(shí)，經(jīng)驗(yàn)調(diào)制傳遞函數(shù)自身的選取也會(huì)給浪向反演結(jié)果帶來誤差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種基于時(shí)域圖像、更加簡(jiǎn)潔方便的基于水面狀態(tài)連續(xù)成像系統(tǒng)的波浪傳播方向的提取方法。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的基于水面狀態(tài)連續(xù)成像系統(tǒng)的波浪傳播方向的提取方法具體如下：

該基于水面狀態(tài)連續(xù)成像系統(tǒng)的波浪傳播方向的提取方法，其主要特點(diǎn)是，所述的提取方法包括以下步驟：

(1)通過水面狀態(tài)連續(xù)成像系統(tǒng)采集探測(cè)區(qū)域中的波浪的回波，并進(jìn)行采樣成像，組成N幀回波圖像序列；

(2)對(duì)步驟(1)中獲取的N幀回波圖像序列進(jìn)行預(yù)處理，濾除噪聲；

(3)對(duì)濾噪后的N幀回波圖像序列進(jìn)行處理，獲取該N幀回波圖像序列的像素點(diǎn)運(yùn)動(dòng)矢量集

(4)獲取步驟(3)中的N幀回波圖像序列的像素點(diǎn)運(yùn)動(dòng)矢量集中所有像素點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度的權(quán)值，以及獲取所有像素點(diǎn)的整體運(yùn)動(dòng)方向；

(5)根據(jù)水面狀態(tài)連續(xù)成像系統(tǒng)朝向θ_radar和參考方向，對(duì)所述的所有像素點(diǎn)的整體運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行相對(duì)坐標(biāo)校正。

較佳地，所述的N的取值為2^m，且m為正整數(shù)。

更佳地，所述的m大于等于5，且小于等于8。

較佳地，所述的步驟(2)具體為：

通過中值濾波法對(duì)其獲取的N幀回波圖像序列進(jìn)行預(yù)處理，濾除該N幀回波圖像序列中的背景噪聲。

較佳地，所述的步驟(3)具體為：

對(duì)濾噪后的N幀回波圖像序列進(jìn)行光流運(yùn)動(dòng)估計(jì)處理，獲取該N幀回波圖像序列的像素點(diǎn)運(yùn)動(dòng)矢量集

較佳地，所述的步驟(4)具體為：

將該N幀回波圖像序列的像素點(diǎn)運(yùn)動(dòng)矢量集中所有像素點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度作為權(quán)值，并將所有像素點(diǎn)方向θ進(jìn)行加權(quán)平均，獲取所有像素點(diǎn)的整體運(yùn)動(dòng)方向Θ，其中所有像素點(diǎn)的整體運(yùn)動(dòng)方向Θ的計(jì)算公式如下：

其中，θ_i與分別為像素點(diǎn)運(yùn)動(dòng)矢量集中第i個(gè)像素點(diǎn)移動(dòng)方向以及速度大小，N為該N幀回波圖像序列中所有像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

更佳地，所述的參考方向?yàn)檎狈较?，且所述的步驟(5)具體為：

根據(jù)正北方向以及水面狀態(tài)連續(xù)成像系統(tǒng)朝向θ_radar，將所述的所有像素點(diǎn)的整體運(yùn)動(dòng)方向Θ進(jìn)行相對(duì)坐標(biāo)校正，得到以正北方向?yàn)閰⒖挤较虻牟ɡ藗鞑シ较颚?sub>wave，校正方法如下：

θ＝90+θ_radar-Θ；

較佳地，所述的水面狀態(tài)連續(xù)成像系統(tǒng)可為X波段雷達(dá)系統(tǒng)、紅外以及可見光成像系統(tǒng)。

采用了該發(fā)明中的基于水面狀態(tài)連續(xù)成像系統(tǒng)的波浪傳播方向的提取方法，由于其利用水面狀態(tài)連續(xù)成像系統(tǒng)對(duì)水面狀態(tài)進(jìn)行連續(xù)成像，從波浪的時(shí)域信號(hào)出發(fā)，利用成像系統(tǒng)所成的圖像序列中相鄰圖像之間的回波強(qiáng)度的偏移方向來直接估算浪向，將光流運(yùn)動(dòng)方法應(yīng)用到成像系統(tǒng)所成的圖像序列，可以簡(jiǎn)單、高效的提取整個(gè)圖像序列中各個(gè)像素點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向，將圖像序列中的每個(gè)像素點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)矢量進(jìn)行加權(quán)平均即可得到波浪的真實(shí)傳播方向，采用本發(fā)明中的技術(shù)方案，能夠很好的湖面/海面/河面的波浪狀態(tài)進(jìn)行分析，本發(fā)明的核心就在于基于水面連續(xù)成像系統(tǒng)對(duì)波浪的傳播方向進(jìn)行提取，整個(gè)發(fā)明實(shí)用性強(qiáng)，且適用性廣，不僅適用于岸基水面狀態(tài)連續(xù)成像系統(tǒng)，還適用于船載水面狀態(tài)連續(xù)成像系統(tǒng)，并且能夠?qū)崟r(shí)、快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定的反演出波浪傳播方向，而無需像基于頻域的波浪傳播方向預(yù)測(cè)那樣，需要提前得到調(diào)制傳遞函數(shù)以及精確的水流大小和方向，減少了由于水流估算的不準(zhǔn)確以及調(diào)制傳遞函數(shù)自身的誤差而給浪向提取結(jié)果帶來的影響。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的基于水面狀態(tài)連續(xù)成像系統(tǒng)的波浪傳播方向的提取方法中利用水面狀態(tài)連續(xù)成像系統(tǒng)采集的波浪回波圖像序列示意圖。

圖2為本發(fā)明的基于水面狀態(tài)連續(xù)成像系統(tǒng)的波浪傳播方向的提取方法中N幀圖像序列中各個(gè)像素點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)矢量場(chǎng)示意圖。

圖3為本發(fā)明的基于水面狀態(tài)連續(xù)成像系統(tǒng)的波浪傳播方向的提取方法中水面狀態(tài)連續(xù)成像系統(tǒng)的朝向與正北方向示意。

圖4為本發(fā)明的基于水面狀態(tài)連續(xù)成像系統(tǒng)的波浪傳播方向的提取方法的方法流程示意圖。

具體實(shí)施方式

為了能夠更清楚地描述本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，下面結(jié)合具體實(shí)施例來進(jìn)行進(jìn)一步的描述。

該基于水面狀態(tài)連續(xù)成像系統(tǒng)的波浪傳播方向的提取方法，其主要特點(diǎn)是，所述的提取方法包括以下步驟：

(1)通過水面狀態(tài)連續(xù)成像系統(tǒng)采集探測(cè)區(qū)域中的波浪的回波，并進(jìn)行采樣成像，組成N幀回波圖像序列；

(2)對(duì)步驟(1)中獲取的N幀回波圖像序列進(jìn)行預(yù)處理，濾除噪聲；

(3)對(duì)濾噪后的N幀回波圖像序列進(jìn)行處理，獲取該N幀回波圖像序列的像素點(diǎn)運(yùn)動(dòng)矢量集

(4)獲取步驟(3)中的N幀回波圖像序列的像素點(diǎn)運(yùn)動(dòng)矢量集中所有像素點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度的權(quán)值，以及獲取所有像素點(diǎn)的整體運(yùn)動(dòng)方向；

(5)根據(jù)水面狀態(tài)連續(xù)成像系統(tǒng)朝向θ_radar和參考方向，對(duì)所述的所有像素點(diǎn)的整體運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行相對(duì)坐標(biāo)校正。

所述的N的取值為2^m，且m為正整數(shù)。

所述的m大于等于5，且小于等于8。

所述的步驟(2)具體為：

通過中值濾波法對(duì)其獲取的N幀回波圖像序列進(jìn)行預(yù)處理，濾除該N幀回波圖像序列中的背景噪聲。

所述的步驟(3)具體為：

對(duì)濾噪后的N幀回波圖像序列進(jìn)行光流運(yùn)動(dòng)估計(jì)處理，獲取該N幀回波圖像序列的像素點(diǎn)運(yùn)動(dòng)矢量集

所述的步驟(4)具體為：

將該N幀回波圖像序列的像素點(diǎn)運(yùn)動(dòng)矢量集中所有像素點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度作為權(quán)值，并將所有像素點(diǎn)方向θ進(jìn)行加權(quán)平均，獲取所有像素點(diǎn)的整體運(yùn)動(dòng)方向Θ，其中所有像素點(diǎn)的整體運(yùn)動(dòng)方向Θ的計(jì)算公式如下：

其中，θ_i與分別為像素點(diǎn)運(yùn)動(dòng)矢量集中第i個(gè)像素點(diǎn)移動(dòng)方向以及速度大小，N為該N幀回波圖像序列中所有像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

所述的參考方向?yàn)檎狈较颍宜龅牟襟E(5)具體為：

根據(jù)正北方向以及水面狀態(tài)連續(xù)成像系統(tǒng)朝向θ_radar，將所述的所有像素點(diǎn)的整體運(yùn)動(dòng)方向Θ進(jìn)行相對(duì)坐標(biāo)校正，得到以正北方向?yàn)閰⒖挤较虻牟ɡ藗鞑シ较颚?sub>wave，校正方法如下：

θ＝90+θ_radar-Θ；

所述的水面狀態(tài)連續(xù)成像系統(tǒng)可為X波段雷達(dá)系統(tǒng)、紅外以及可見光成像系統(tǒng)。

請(qǐng)參閱圖4，在一種具體實(shí)施例中，該水面狀態(tài)連續(xù)成像系統(tǒng)為一X波段測(cè)波雷達(dá)時(shí)，不同機(jī)型的X波段雷達(dá)機(jī)型均適用，在對(duì)海浪進(jìn)行方向提取時(shí)，所述的提取方法具體包括以下步驟：

(1)請(qǐng)參閱圖1，通過X波段雷達(dá)采集N幀回波圖像序列，首先X波段雷達(dá)對(duì)連續(xù)采集的回波進(jìn)行采樣以及成像，組成N幀回波圖像序列，且通常N的取值為2^m，m的值通常是大于等于5、小于等于8的正整數(shù)，且該N幀回波圖像序列在水平方向與垂直方向上的像素點(diǎn)數(shù)通常取2ⁿ，N的值通常也是大于等于5、小于等于8的正整數(shù)，圖像距離單元分辨率通常為7.5m，也即每個(gè)圖像像素點(diǎn)大小為7.5×7.5m²。圖像序列示意圖如圖1所示，圖中的Δt為連續(xù)兩幀圖像之間的時(shí)間間隔(也即X波段雷達(dá)的天線轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間)。

(2)利用中值濾波對(duì)收集到的N幀回波圖像序列進(jìn)行預(yù)處理，濾除圖像中的背景噪聲，具體為：對(duì)于給定的N個(gè)像素(N為奇數(shù))的灰度值(a₁，a₂，…，a_N)，將其按大小進(jìn)行排序，將排在中間的灰度值替代待處理的像素點(diǎn)的原始灰度，其實(shí)質(zhì)是用與相鄰像素接近的灰度值來取代與相鄰像素相差較大的灰度，按此操作遍歷圖像，即可得到平滑后的、濾除噪聲后的圖像。

(3)使用光流法對(duì)圖像進(jìn)行分析，由于在X波段雷達(dá)采集N幀回波圖像序列的時(shí)間段內(nèi)，海浪的運(yùn)動(dòng)方向基本上是不變的，因此該X波段雷達(dá)采集的N幀回波圖像序列基本上滿足光流法的三要素：運(yùn)動(dòng)速度場(chǎng)(海浪傳播)、攜帶運(yùn)動(dòng)信息的部分(有灰度的像素點(diǎn))以及從海面場(chǎng)景到雷達(dá)圖像平面的成像投影。將光流法應(yīng)用到X波段雷達(dá)回波圖像序列，可以得到一段時(shí)間內(nèi)一定幀數(shù)的圖像像素點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)矢量集，將預(yù)處理的圖像序列進(jìn)行光流運(yùn)動(dòng)估計(jì)，得到N幀回波圖像序列中所有像素點(diǎn)運(yùn)動(dòng)矢量集且光流基本方程為：

I(x,y,t)＝I(x+dx,y+dy,t+dt)；

式中，I(x,y,t)為圖像中像素點(diǎn)(x,y)在時(shí)刻t時(shí)的灰度值。將上式右邊進(jìn)行一階泰勒級(jí)數(shù)展開，可以得到：

設(shè)定像素點(diǎn)的速度矢量則可以得到像素點(diǎn)灰度對(duì)時(shí)間的變化率等于灰度的空間梯度與運(yùn)動(dòng)速度的點(diǎn)乘積：

也即：

上式可進(jìn)一步表示為：根據(jù)最小二乘法以及光流法的目的，使最小的速度矢量即為最終計(jì)算結(jié)果，因此有圖2為利用光流法得到的圖像中各個(gè)像素點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)矢量場(chǎng)示意圖，圖中的每個(gè)箭頭都表示圖像中的像素點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)的速度大小和方向。

(4)獲取所有像素點(diǎn)的整體運(yùn)動(dòng)方向Θ。由于各個(gè)像素點(diǎn)運(yùn)動(dòng)矢量包含運(yùn)動(dòng)速度與方向，運(yùn)動(dòng)速度大小代表著像素點(diǎn)相對(duì)偏移值的大小，與海浪傳播方向一致的像素點(diǎn)的相對(duì)偏移也會(huì)較大。因此為了得到最終最優(yōu)的海浪傳播方向，將運(yùn)動(dòng)速度作為權(quán)值，對(duì)所有像素點(diǎn)方向進(jìn)行加權(quán)平均，可以很好的綜合利用估算出的運(yùn)動(dòng)速度與方向值，提高浪向計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度。對(duì)上述運(yùn)動(dòng)矢量集中所有像素點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度作為權(quán)值，并對(duì)所有像素點(diǎn)的方向θ進(jìn)行加權(quán)平均，以獲取所有像素點(diǎn)集的整體運(yùn)動(dòng)方向Θ，綜合估算出像素點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度與方向值，提高最終浪向計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度。加權(quán)平均表達(dá)式如下：

其中，θ_i與分別為圖像序列中第i個(gè)像素點(diǎn)移動(dòng)方向以及速度大小，N為X波段雷達(dá)收集到的N幀回波圖像序列中所有像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

(5)根據(jù)參考坐標(biāo)和X波段雷達(dá)朝向θ_radar進(jìn)行相對(duì)坐標(biāo)校正，請(qǐng)參閱圖3，參考方向選取為正北方向，由于雷達(dá)朝向與正北方向存在夾角，因此需要將得出的所有像素點(diǎn)整體的運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行校正，此處即為聯(lián)合正北方向及X波段雷達(dá)朝向θ_radar將上述得到的整體運(yùn)動(dòng)方向Θ進(jìn)行相對(duì)坐標(biāo)校正，校正的公式如下：

θ＝90+θ_radar-Θ；

采用了該發(fā)明中的基于水面狀態(tài)連續(xù)成像系統(tǒng)的波浪傳播方向的提取方法，由于其利用水面狀態(tài)連續(xù)成像系統(tǒng)對(duì)水面狀態(tài)進(jìn)行連續(xù)成像，從波浪的時(shí)域信號(hào)出發(fā)，利用成像系統(tǒng)所成的圖像序列中相鄰圖像之間的回波強(qiáng)度的偏移方向來直接估算浪向，將光流運(yùn)動(dòng)方法應(yīng)用到成像系統(tǒng)所成的圖像序列，可以簡(jiǎn)單、高效的提取整個(gè)圖像序列中各個(gè)像素點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向，將圖像序列中的每個(gè)像素點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)矢量進(jìn)行加權(quán)平均即可得到波浪的真實(shí)傳播方向，采用本發(fā)明中的技術(shù)方案，能夠很好的湖面/海面/河面的波浪狀態(tài)進(jìn)行分析，本發(fā)明的核心就在于基于水面連續(xù)成像系統(tǒng)對(duì)波浪的傳播方向進(jìn)行提取，整個(gè)發(fā)明實(shí)用性強(qiáng)，且適用性廣，不僅適用于岸基水面狀態(tài)連續(xù)成像系統(tǒng)，還適用于船載水面狀態(tài)連續(xù)成像系統(tǒng)，并且能夠?qū)崟r(shí)、快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定的反演出波浪傳播方向，而無需像基于頻域的波浪傳播方向預(yù)測(cè)那樣，需要提前得到調(diào)制傳遞函數(shù)以及精確的水流大小和方向，減少了由于水流估算的不準(zhǔn)確以及調(diào)制傳遞函數(shù)自身的誤差而給浪向提取結(jié)果帶來的影響。

在此說明書中，本發(fā)明已參照其特定的實(shí)施例作了描述。但是，很顯然仍可以作出各種修改和變換而不背離本發(fā)明的精神和范圍。因此，說明書和附圖應(yīng)被認(rèn)為是說明性的而非限制性的。