基于高頻地波雷達(dá)海流觀測(cè)結(jié)果空時(shí)特征的插值方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了基于高頻地波雷達(dá)海流觀測(cè)結(jié)果空時(shí)特征的插值重構(gòu)方法，包含如下步驟：獲取高頻地波雷達(dá)海流觀測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)，構(gòu)建協(xié)方差矩陣；從海流觀測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)中隨機(jī)選擇設(shè)定數(shù)量的有效數(shù)據(jù)作為交叉校正集，并將海流觀測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)中交叉校正集對(duì)應(yīng)部分賦值為0；對(duì)協(xié)方差矩陣進(jìn)行特征分解，每個(gè)奇異值所在列和其對(duì)應(yīng)的一列空間特征量以及一列時(shí)間特征向量組成一個(gè)特征模態(tài)，由此得到多個(gè)特征模態(tài)；計(jì)算得到均方根誤差最小時(shí)對(duì)應(yīng)的特征模態(tài)數(shù)Pmin；采用特征模態(tài)數(shù)為Pmin時(shí)計(jì)算的重構(gòu)值補(bǔ)齊海流觀測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)中的缺測(cè)點(diǎn)，并且將取出海流觀測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)中交叉校正集部分保持原始值不變，由此得到海流觀測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)的最終重構(gòu)結(jié)果。
【專利說明】
基于高頻地波雷達(dá)海流觀測(cè)結(jié)果空時(shí)特征的插值方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于無(wú)線電海洋遙感和數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域，具體設(shè)及一種基于高頻地波雷 達(dá)海流結(jié)果空時(shí)特征進(jìn)行插值的方法，它主要適用于提高高頻地波雷達(dá)海流結(jié)果的準(zhǔn)確性 和數(shù)據(jù)的完整性。
【背景技術(shù)】
[0002] 高頻地波雷達(dá)化igh Frequen巧 Surface Wave Radar ,HFSWR)利用短波（3- 30MHz)在海洋表面繞射傳播衰減小的特點(diǎn)可W大面積、全天候、時(shí)實(shí)的給出觀測(cè)海域的表 層海流結(jié)果。高頻地波雷達(dá)觀測(cè)得到的表面流場(chǎng)經(jīng)過大量的海上對(duì)比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了海流的 準(zhǔn)確性，推動(dòng)了高頻地波雷達(dá)海流觀測(cè)的業(yè)務(wù)化運(yùn)行，為研究當(dāng)?shù)氐牧鲌?chǎng)空時(shí)特性提供了 很好的數(shù)據(jù)支持。高頻地波雷達(dá)具有造價(jià)低廉，空時(shí)分辨率高等優(yōu)勢(shì)。因此，高頻地波雷達(dá) 是專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)最廉價(jià)有效的監(jiān)測(cè)工具，具有非常廣泛的市場(chǎng)前景。然而在實(shí)際運(yùn)行的過程 中，由于存在各種干擾(電離層干擾、瞬態(tài)干擾等)和突發(fā)狀況(停電等），高頻地波雷達(dá)海流 觀測(cè)結(jié)果在時(shí)間和空間上并不連續(xù)，嚴(yán)重影響了高頻地波雷達(dá)的使用。
[0003] 傳統(tǒng)的空間和時(shí)間插值方法如反距離加權(quán)法、最優(yōu)插值、=次樣條函數(shù)插值等都 不能充分的利用高頻地波雷達(dá)海流結(jié)果的空時(shí)信息進(jìn)行插值，所得到的結(jié)果并不能很好的 反應(yīng)真實(shí)值，運(yùn)很大程度上限制了利用高頻地波雷達(dá)海流結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 有鑒于此，本發(fā)明提供了基于高頻地波烈大海流觀測(cè)結(jié)果空時(shí)特征的插值方法， 與現(xiàn)有的插值算法形成互補(bǔ)，提高高頻地波雷達(dá)海流結(jié)果的準(zhǔn)確性和數(shù)據(jù)的完整性。
[0005] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為:基于高頻地波雷達(dá)海流觀測(cè)結(jié)果空時(shí) 特征的插值重構(gòu)方法，包含如下步驟：
[0006] 步驟一、獲取高頻地波雷達(dá)海流觀測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)，構(gòu)建協(xié)方差矩陣;該海流觀測(cè)結(jié)果 數(shù)據(jù)中具有部分未觀測(cè)到的數(shù)據(jù)點(diǎn)，記為缺測(cè)點(diǎn)。
[0007] 步驟二、從所述海流觀測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)中隨機(jī)選擇設(shè)定數(shù)量的有效數(shù)據(jù)作為交叉校正 集，并將海流觀測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)中交叉校正集對(duì)應(yīng)部分賦值為0。
[000引步驟=、對(duì)所述協(xié)方差矩陣進(jìn)行特征分解得到空間特征向量、時(shí)間特征向量W及 奇異值矩陣，每個(gè)奇異值所在列和其對(duì)應(yīng)的一列空間特征量W及一列時(shí)間特征向量組成一 個(gè)特征模態(tài)，由此得到多個(gè)特征模態(tài);設(shè)定重構(gòu)模態(tài)數(shù)P的初始值為1。
[0009] 步驟四、在所述多個(gè)特征模態(tài)中選取前P列奇異值所屬特征模態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)重構(gòu)，獲 得海流觀測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)的重構(gòu)值，在該重構(gòu)值中的交叉校正集對(duì)應(yīng)部分為交叉校正集的重構(gòu) 值，計(jì)算交叉校正集的重構(gòu)值和原始值的均方根誤差。
[0010] 步驟五、P自增1，重復(fù)步驟四和五，直至P達(dá)到特征模態(tài)數(shù)上限，得到均方根誤差最 小時(shí)對(duì)應(yīng)的特征模態(tài)數(shù)Pmin。
[0011] 步驟六、采用特征模態(tài)數(shù)為Pmin時(shí)計(jì)算的重構(gòu)值補(bǔ)齊海流觀測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)中的缺測(cè) 點(diǎn)，并且將取出海流觀測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)中交叉校正集部分保持原始值不變，由此得到海流觀測(cè) 結(jié)果數(shù)據(jù)的最終重構(gòu)結(jié)果。
[0012] 進(jìn)一步地，步驟二中設(shè)定數(shù)量為所述海流觀測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)3%-5%。
[0013] 進(jìn)一步地，步驟=中，對(duì)所述協(xié)方差矩陣進(jìn)行特征分解后得到空間特征向量U、時(shí) 間特征向量VW及奇異值矩陣S;
[0014] 則所述步驟四中，選取前P個(gè)特征模態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)重構(gòu)，獲得缺測(cè)點(diǎn)的值為：
其中，i J分別為缺測(cè)點(diǎn)的空間和時(shí)間坐標(biāo)，Xi為缺測(cè)點(diǎn)的空 間數(shù)據(jù)，t功缺測(cè)點(diǎn)的時(shí)間數(shù)據(jù)，Up為第P列的空間特征向量和Vp為第P列的時(shí)間特征向量， Sp為第P列的奇異值，上標(biāo)T為矩陣轉(zhuǎn)置符號(hào)，k為根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間維數(shù)確定的特征模態(tài) 數(shù)上限。
[0015] 有益效果：
[0016] 本發(fā)明具有算法簡(jiǎn)單高效，占用資源少的優(yōu)點(diǎn)；利用高頻地波雷達(dá)海流觀測(cè)結(jié)果 的空時(shí)特征進(jìn)行插值，不依賴于先驗(yàn)知識(shí);具有很好的魯棒性;對(duì)各種干擾有一定的抑制效 果，插值得到的海流結(jié)果準(zhǔn)確;本發(fā)明不僅適用于高頻地波雷達(dá)，還適用于X波段雷達(dá)W及 其它各種通過海洋回波進(jìn)行海流反演的雷達(dá)及設(shè)備。
【附圖說明】
[0017] 圖1為利用高頻地波雷達(dá)海流觀測(cè)結(jié)果構(gòu)建所需的數(shù)據(jù)矩陣的示意圖；
[0018] 圖2為本發(fā)明的算法流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 下面結(jié)合附圖并舉實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0020] 本發(fā)明提供的技術(shù)方案是:一種基于高頻地波雷達(dá)海流觀測(cè)結(jié)果空時(shí)特征的插值 算法，包含步驟：
[0021 ]步驟1、利用高頻地波雷達(dá)海流觀測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)構(gòu)建協(xié)方差矩陣;該海流觀測(cè)結(jié)果數(shù) 據(jù)中具有部分未觀測(cè)到的數(shù)據(jù)點(diǎn)，記為缺測(cè)點(diǎn)。
[0022] 步驟2、隨機(jī)挑選3%-5%的有效數(shù)據(jù)作為判斷最佳重構(gòu)模態(tài)數(shù)的交叉校正集，并 將海流觀測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)中交叉校正集對(duì)應(yīng)部分賦值為0。
[0023] 步驟3、對(duì)協(xié)方差矩陣進(jìn)行特征分解得到空間特征向量和時(shí)間特征向量W及奇異 值矩陣，每個(gè)奇異值所在列和其對(duì)應(yīng)的一列空間特征量W及一列時(shí)間特征向量組成一個(gè)特 征模態(tài)，由此得到多個(gè)特征模態(tài);設(shè)定重構(gòu)模態(tài)數(shù)P的初始值為1。
[0024] 步驟4、選取前P列奇異值所屬特征模態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)重構(gòu)，獲得海流觀測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)的 重構(gòu)值，在該重構(gòu)值中的交叉校正集對(duì)應(yīng)部分為交叉校正集的重構(gòu)值，計(jì)算交叉驗(yàn)證點(diǎn)集 的重構(gòu)值和原始值的均方根誤差，選取具有較低的均方根誤差的重構(gòu)值做為缺測(cè)點(diǎn)的值；
[0025] 步驟5、逐步增加P的值并重復(fù)步驟4,得到均方根誤差最小時(shí)候?qū)?yīng)的最小特征模 態(tài)數(shù)Pmin;
[0026] 步驟6、采用特征模態(tài)數(shù)為Pmin時(shí)計(jì)算的重構(gòu)值補(bǔ)齊海流觀測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)中的缺測(cè) 點(diǎn)，并且將取出海流觀測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)中交叉校正集部分保持原始值不變，由此得到海流觀測(cè) 結(jié)果數(shù)據(jù)的最終重構(gòu)結(jié)果。
[0027] 圖1為利用高頻地波雷達(dá)海流觀測(cè)結(jié)果構(gòu)建所需的數(shù)據(jù)矩陣的示意圖，圖中A和B 分別為選取的高頻地波雷達(dá)海流觀測(cè)結(jié)果在X方向和Y方向的空間點(diǎn)坐標(biāo)。T1 -化代表時(shí)間 序列長(zhǎng)度。
[0028] 圖2為基于高頻地波雷達(dá)海流觀測(cè)結(jié)果空時(shí)特征進(jìn)行插值算法流程圖。圖中所示 的主要模塊包括:交叉校正集選取模塊、特征值提取模塊、數(shù)據(jù)循環(huán)迭代重構(gòu)模塊、最終海 流結(jié)果重構(gòu)模塊。
[00巧]實(shí)施例、
[0030] (1)設(shè)高頻地波雷達(dá)觀測(cè)得到的海流場(chǎng)為11侶。，心)=11侶。，心的>侶。，心），其中 Xm= (x，y)，m= I-M,M = AXB(如附圖1所示），代表M個(gè)空間點(diǎn)的坐標(biāo)。n = I-N,代表時(shí)間序 列長(zhǎng)度為Nnj = (-l)i/2,表示虛數(shù)。u，v分別為海流的東分量和北分量。
[0031] (2)將海流場(chǎng)U( Xm, tn)做距平處理，即對(duì)每個(gè)空間點(diǎn)上的海流的時(shí)間序列做減去 運(yùn)個(gè)時(shí)間序列的均值海流的處理。將處理完后的海流場(chǎng)仍記為U( Xm, tn)，對(duì)于缺測(cè)點(diǎn)的賦 值為0。
[0032] (3)在U( Xm, tn)中隨機(jī)挑選數(shù)據(jù)總量的3%-5%的有效數(shù)據(jù)點(diǎn)作為判斷最佳重構(gòu) 模態(tài)數(shù)的交叉校正集，對(duì)U( Xm, tn)中處于交叉校正集的位置的賦值為0。令重構(gòu)模態(tài)數(shù)P的 初始值為0。
[0033] (4)利用下式對(duì)U( Xm, tn)進(jìn)行特征值分解
[0034] U(Xm，tn)=US^
[0035] 式（1)中U，S，V分別為SVD分解后對(duì)應(yīng)的空間特征向量、奇異值矩陣和時(shí)間特征向 量，T表示矩陣轉(zhuǎn)置。
[0036] 由此得到最主要的P個(gè)特征模態(tài)，先令P = I,使用下式對(duì)缺失點(diǎn)進(jìn)行重構(gòu)。
[0037]
[003引式（2)中U( Xi山）為缺測(cè)點(diǎn)的值，i J分別為缺測(cè)點(diǎn)的空間和時(shí)間坐標(biāo);Up和Vp為 第P列的空間特征向量和時(shí)間特征向量。
[0039] (5)將步驟4迭代Q次(Q為設(shè)定的最大迭代次數(shù)），計(jì)算交叉驗(yàn)證點(diǎn)集的重構(gòu)值和原 始值的均方根誤差Ri,選取具有較低的均方根誤差的重構(gòu)值做為缺測(cè)點(diǎn)的值。
[0040] (6)令P = 2-'K化根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間維數(shù)確定），重復(fù)步驟5。計(jì)算出對(duì)應(yīng)的均方 根誤差R2，比較得到化最小時(shí)候?qū)?yīng)的最小特征模態(tài)數(shù)Pmin。
[0041] (7)缺測(cè)點(diǎn)的值用Pmin模態(tài)時(shí)計(jì)算的重構(gòu)值替換，交叉驗(yàn)證點(diǎn)集處的值使用原始值 替換，令P = Pmin,重復(fù)步驟4,將得到重構(gòu)值加上步驟2中得到的時(shí)間序列上的均值，得到最 終重構(gòu)后的數(shù)據(jù)集護(hù)6。
[0042] 綜上，W上僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在 本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù) 范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 基于高頻地波雷達(dá)海流觀測(cè)結(jié)果空時(shí)特征的插值重構(gòu)方法，其特征在于，包含如下 步驟： 步驟一、獲取高頻地波雷達(dá)海流觀測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)，構(gòu)建協(xié)方差矩陣;該海流觀測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù) 中具有部分未觀測(cè)到的數(shù)據(jù)點(diǎn)，記為缺測(cè)點(diǎn)； 步驟二、從所述海流觀測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)中隨機(jī)選擇設(shè)定數(shù)量的有效數(shù)據(jù)作為交叉校正集， 并將海流觀測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)中交叉校正集對(duì)應(yīng)部分賦值為O; 步驟三、對(duì)所述協(xié)方差矩陣進(jìn)行特征分解得到空間特征向量、時(shí)間特征向量以及奇異 值矩陣，每個(gè)奇異值所在列和其對(duì)應(yīng)的一列空間特征量以及一列時(shí)間特征向量組成一個(gè)特 征模態(tài)，由此得到多個(gè)特征模態(tài);設(shè)定重構(gòu)模態(tài)數(shù)P的初始值為1; 步驟四、在所述多個(gè)特征模態(tài)中選取前P列奇異值所屬特征模態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)重構(gòu)，獲得海 流觀測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)的重構(gòu)值，在該重構(gòu)值中的交叉校正集對(duì)應(yīng)部分為交叉校正集的重構(gòu)值， 計(jì)算交叉校正集的重構(gòu)值和原始值的均方根誤差； 步驟五、P自增1，重復(fù)步驟四和五，直至P達(dá)到特征模態(tài)數(shù)上限，得到均方根誤差最小時(shí) 對(duì)應(yīng)的特征模態(tài)數(shù)Pmin; 步驟六、采用特征模態(tài)數(shù)為Pmin時(shí)計(jì)算的重構(gòu)值補(bǔ)齊海流觀測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)中的缺測(cè)點(diǎn)，并 且將取出海流觀測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)中交叉校正集部分保持原始值不變，由此得到海流觀測(cè)結(jié)果數(shù) 據(jù)的最終重構(gòu)結(jié)果。2. 如權(quán)利要求1所述的一種基于高頻地波雷達(dá)海流觀測(cè)結(jié)果空時(shí)特征的插值方法，其 特征在于，所述步驟二中設(shè)定數(shù)量為所述海流觀測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)3 %-5 %。3. 如權(quán)利要求1所述的一種基于高頻地波雷達(dá)海流觀測(cè)結(jié)果空時(shí)特征的插值重構(gòu)方 法，其特征在于，所述步驟三中，對(duì)所述協(xié)方差矩陣進(jìn)行特征分解后得到空間特征向量U、時(shí) 間特征向量V以及奇異值矩陣S; 則所述步驟四中，選取前P個(gè)特征模態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)重構(gòu)，獲得缺測(cè)點(diǎn)的值為：其中，i，j分別為缺測(cè)點(diǎn)的空間和時(shí)間坐標(biāo)，Xi為缺測(cè)點(diǎn)的 空間數(shù)據(jù)，b為缺測(cè)點(diǎn)的時(shí)間數(shù)據(jù)，UP為第p列的空間特征向量和Vp為第p列的時(shí)間特征向 量，Sp為第p列的奇異值，上標(biāo)T為矩陣轉(zhuǎn)置符號(hào)，k為根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間維數(shù)確定的特征 模態(tài)數(shù)上限。
【文檔編號(hào)】G01S7/41GK106019257SQ201610637616
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年8月5日
【發(fā)明人】沈志奔, 鄧海華, 彭亮, 董梁, 王赟
【申請(qǐng)人】中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七〇九研究所, 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一九研究所