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)展和人類對新能源、遠洋的探索興趣和需求的增大，對湖面、河面以及海面的狀態(tài)遙感技術(shù)也日漸成為科學家們的研究熱點。

目前，傳統(tǒng)的海上X波段導航雷達被廣泛應用于對海面的遙感探測，所謂X波段雷達(X Band Radar，簡寫為XBR)是對火控、目標跟蹤雷達的統(tǒng)稱，其發(fā)出的波長在3厘米以下，該雷達能夠360度旋轉(zhuǎn)偵查各個方向的目標。

海浪狀態(tài)作為海洋研究的重點，它是與人類息息相關(guān)的。海洋動力學參數(shù)反應的是直接或者間接的通過海浪的各種運動形式而計算出來的具體物理量。海態(tài)參數(shù)的提取與分析對海洋氣候研究、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方式之一，X波段測波雷達以其高時空分辨率、輕便靈巧、市場占有率高等特點逐步成為了一種重要的主動式海洋遙感手段。X波段電波在隨機粗糙海面?zhèn)鞑r會與海浪產(chǎn)生散射作用，X波段測波雷達接收后向散射回波，能夠從回波信號獲取海流、海浪等海洋參數(shù)。

目前利用X波段測波雷達來反演浪向主要是基于以下步驟：首先對X波段測波雷達接收的海面海浪散射電磁波圖像序列進行三維傅里葉分析，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確性，這將導致基于海流的帶通濾波也會失效，進而會影響最終得到的頻率方向譜。同時，由于陰影調(diào)制、軌道調(diào)制、流體動力學調(diào)制、傾斜調(diào)制的存在，由雷達圖像得到的海浪圖像譜與現(xiàn)場浮標等工具測得的海浪譜之間存在著差異，而利用經(jīng)驗調(diào)制傳遞函數(shù)來對這種差異進行調(diào)整時，經(jīng)驗調(diào)制傳遞函數(shù)自身的選取也會給浪向反演結(jié)果帶來誤差。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供一種基于時域圖像、更加簡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)采集探測區(qū)域中的波浪的回波，并進行采樣成像，組成N幀回波圖像序列；

(2)對步驟(1)中獲取的N幀回波圖像序列進行預處理，濾除噪聲；

(3)對濾噪后的N幀回波圖像序列進行處理，獲取該N幀回波圖像序列的像素點運動矢量集

(4)獲取步驟(3)中的N幀回波圖像序列的像素點運動矢量集中所有像素點的運動速度的權(quán)值，以及獲取所有像素點的整體運動方向；

(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，對所述的所有像素點的整體運動方向進行相對坐標校正。

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：

通過中值濾波法對其獲取的N幀回波圖像序列進行預處理，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：

對濾噪后的N幀回波圖像序列進行光流運動估計處理，獲取該N幀回波圖像序列的像素點運動矢量集

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運動矢量集中所有像素點的運動速度作為權(quán)值，并將所有像素點方向θ進行加權(quán)平均，獲取所有像素點的整體運動方向Θ，其中所有像素點的整體運動方向Θ的計算公式如下：

其中，θ_i與分別為像素點運動矢量集中第i個像素點移動方向以及速度大小，N為該N幀回波圖像序列中所有像素點的個數(shù)。

更佳地，所述的參考方向為正北方向，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的整體運動方向Θ進行相對坐標校正，得到以正北方向為參考方向的波浪傳播方向θ_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)對水面狀態(tài)進行連續(xù)成像，從波浪的時域信號出發(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度的偏移方向來直接估算浪向，將光流運動方法應用到成像系統(tǒng)所成的圖像序列，可以簡單、高效的提取整個圖像序列中各個像素點的運動方向，將圖像序列中的每個像素點的運動矢量進行加權(quán)平均即可得到波浪的真實傳播方向，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)對波浪的傳播方向進行提取，整個發(fā)明實用性強，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、快速、準確、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測那樣，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幀圖像序列中各個像素點的運動矢量場示意圖。

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)合具體實施例來進行進一步的描述。

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)采集探測區(qū)域中的波浪的回波，并進行采樣成像，組成N幀回波圖像序列；

(2)對步驟(1)中獲取的N幀回波圖像序列進行預處理，濾除噪聲；

(3)對濾噪后的N幀回波圖像序列進行處理，獲取該N幀回波圖像序列的像素點運動矢量集

(4)獲取步驟(3)中的N幀回波圖像序列的像素點運動矢量集中所有像素點的運動速度的權(quán)值，以及獲取所有像素點的整體運動方向；

(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，對所述的所有像素點的整體運動方向進行相對坐標校正。

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：

通過中值濾波法對其獲取的N幀回波圖像序列進行預處理，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：

對濾噪后的N幀回波圖像序列進行光流運動估計處理，獲取該N幀回波圖像序列的像素點運動矢量集

所述的步驟(4)具體為：

將該N幀回波圖像序列的像素點運動矢量集中所有像素點的運動速度作為權(quán)值，并將所有像素點方向θ進行加權(quán)平均，獲取所有像素點的整體運動方向Θ，其中所有像素點的整體運動方向Θ的計算公式如下：

其中，θ_i與分別為像素點運動矢量集中第i個像素點移動方向以及速度大小，N為該N幀回波圖像序列中所有像素點的個數(shù)。

所述的參考方向為正北方向，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的整體運動方向Θ進行相對坐標校正，得到以正北方向為參考方向的波浪傳播方向θ_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波段雷達系統(tǒng)、紅外以及可見光成像系統(tǒng)。

請參閱圖4，在一種具體實施例中，該水面狀態(tài)連續(xù)成像系統(tǒng)為一X波段測波雷達時，不同機型的X波段雷達機型均適用，在對海浪進行方向提取時，所述的提取方法具體包括以下步驟：

(1)請參閱圖1，通過X波段雷達采集N幀回波圖像序列，首先X波段雷達對連續(xù)采集的回波進行采樣以及成像，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，也即每個圖像像素點大小為7.5×7.5m²。圖像序列示意圖如圖1所示，圖中的Δt為連續(xù)兩幀圖像之間的時間間隔(也即X波段雷達的天線轉(zhuǎn)一圈的時間)。

(2)利用中值濾波對收集到的N幀回波圖像序列進行預處理，濾除圖像中的背景噪聲，具體為：對于給定的N個像素(N為奇數(shù))的灰度值(a₁，a₂，…，a_N)，將其按大小進行排序，將排在中間的灰度值替代待處理的像素點的原始灰度，其實質(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)使用光流法對圖像進行分析，由于在X波段雷達采集N幀回波圖像序列的時間段內(nèi)，海浪的運動方向基本上是不變的，因此該X波段雷達采集的N幀回波圖像序列基本上滿足光流法的三要素：運動速度場(海浪傳播)、攜帶運動信息的部分(有灰度的像素點)以及從海面場景到雷達圖像平面的成像投影。將光流法應用到X波段雷達回波圖像序列，可以得到一段時間內(nèi)一定幀數(shù)的圖像像素點的運動矢量集，將預處理的圖像序列進行光流運動估計，得到N幀回波圖像序列中所有像素點運動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(x,y)在時刻t時的灰度值。將上式右邊進行一階泰勒級數(shù)展開，可以得到：

設定像素點的速度矢量則可以得到像素點灰度對時間的變化率等于灰度的空間梯度與運動速度的點乘積：

也即：

上式可進一步表示為：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算結(jié)果，因此有圖2為利用光流法得到的圖像中各個像素點的運動矢量場示意圖，圖中的每個箭頭都表示圖像中的像素點的運動的速度大小和方向。

(4)獲取所有像素點的整體運動方向Θ。由于各個像素點運動矢量包含運動速度與方向，運動速度大小代表著像素點相對偏移值的大小，與海浪傳播方向一致的像素點的相對偏移也會較大。因此為了得到最終最優(yōu)的海浪傳播方向，將運動速度作為權(quán)值，對所有像素點方向進行加權(quán)平均，可以很好的綜合利用估算出的運動速度與方向值，提高浪向計算結(jié)果的準確度。對上述運動矢量集中所有像素點的運動速度作為權(quán)值，并對所有像素點的方向θ進行加權(quán)平均，以獲取所有像素點集的整體運動方向Θ，綜合估算出像素點的運動速度與方向值，提高最終浪向計算結(jié)果的準確度。加權(quán)平均表達式如下：

其中，θ_i與分別為圖像序列中第i個像素點移動方向以及速度大小，N為X波段雷達收集到的N幀回波圖像序列中所有像素點的個數(shù)。

(5)根據(jù)參考坐標和X波段雷達朝向θ_radar進行相對坐標校正，請參閱圖3，參考方向選取為正北方向，由于雷達朝向與正北方向存在夾角，因此需要將得出的所有像素點整體的運動方向進行校正，此處即為聯(lián)合正北方向及X波段雷達朝向θ_radar將上述得到的整體運動方向Θ進行相對坐標校正，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)對水面狀態(tài)進行連續(xù)成像，從波浪的時域信號出發(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度的偏移方向來直接估算浪向，將光流運動方法應用到成像系統(tǒng)所成的圖像序列，可以簡單、高效的提取整個圖像序列中各個像素點的運動方向，將圖像序列中的每個像素點的運動矢量進行加權(quán)平均即可得到波浪的真實傳播方向，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)對波浪的傳播方向進行提取，整個發(fā)明實用性強，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、快速、準確、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測那樣，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，說明書和附圖應被認為是說明性的而非限制性的。