一種基於x波段雷達圖像的降雨幹擾抑制方法

2023-12-11 18:14:32

專利名稱：一種基於x波段雷達圖像的降雨幹擾抑制方法
技術領域：
本發明屬於遙感技術領域，具體涉及一種基於X波段雷達圖像的降雨幹擾抑制方法。
背景技術：
在利用航海雷達進行海浪遙測時，經常存在一些幹擾。這些幹擾中最為常見的是同頻幹擾、固體目標物幹擾和降雨幹擾。在未降雨的資料中，圖像信號在空間中的變化形式主要是近似於海面水面的波動，呈現周期性的變化。降雨的圖像中，大片區域為降水影響，雨水在空間是隨意分布的，所以導致圖像中降雨信號的變動極為不規則，也因此造成了圖像中各個像元的變化變大，使圖像的變異數增大，降雨會影響雷達的測波能力，會改變海面的粗糙度，從而影響回波數據，最終影響海浪參數反演結果的準確度。現有技術中在降雨數據的處理方面有一定的研究。利用海面回波強度的均值和差異係數作為判斷標準，區分降雨和非降雨數據，並進行中值濾波處理；還有利用小波算法以及將中值濾波與小波算法相結合對降雨噪聲進行抑制研究，都取得不錯的效果。已有的區分降雨與非降雨的方法中利用的是圖像回波強度的均值及差異係數。均值的定義如下所示
I "μ =-Yxi
η ι= 其中Xi表示雷達圖像上第i個像素點的回波強度值，η表示像素點的個數。差異係數CV的定義為CF = 5 X100%其中σ是圖像回波強度的標準偏差，σ的定義為，σ = ΑΗ-Σ(χ.~^均值及差異係數等是評定表面粗糙度的二維參數，對於表面紋理的變化情況及排列規則，卻不能反映出來；在降雨和非降雨資料之間均值及差異係數並沒有非常明顯的變化界限，在識別降雨資料時，準確性受限；中值濾波或者小波濾波的方法是對雷達圖像各個像元之間非線性計算，不是具體針對降雨噪聲的抑制方法。

發明內容
針對現有技術中的問題，本發明公開了一種基於X波段雷達圖像的降雨幹擾抑制方法。本發明提出的方法與現有技術的顯著區別是首先引入質量控制，確定存在問題的圖像；接著引入三維表面粗糙度評定參數來描述雷達回波圖像的三維特性；然後結合信噪比及三維表面參數確定圖像產生問題的原因，並確定降雨圖像；最後利用頻域濾波的方式處理被降雨影響較輕的圖像。本發明提出的一種基於X波段雷達圖像的降雨幹擾抑制方法，包括下列步驟
第一步，採集N幅空間海域雜波連續圖像，然後選取分析區域構成圖像序列。第二步，對圖像序列進行3維傅立葉變換得到三維波數-頻率圖像譜。第三步，根據色散關係構造帶通濾波器，濾除三維波數-頻率圖像譜中的非海浪信號，計算相對信號&，並根據相對信號Rp的值，確定存在問題的圖像；具體為相對信號&>=0.6時，雷達圖像序列是可用的；相對信號Rp < 0. 6時，雷達圖像序列是存在問題的。第四步，計算由上一步中確定出的存在問題的各組圖像序列的三維表面參數。所述的三維表面參數包括回波強度的均值和表面紋理的視在特性比。第五步，計算第三步中確定出的存在問題的各組圖像序列的信噪比(SNR)帶通濾波之後得到三維圖像譜，經過積分得到二維圖像譜，二維圖像譜經過調製傳遞函數作用之後得到二維海浪譜，信噪比的計算公式定義如下 SNR' I ￡ng:——
\ Engtotai-Engimage其中Engtotal代表的是濾波前的三維波數-頻率圖像譜積分後得到的總能量，Engwave代表二維海浪譜能量，Engimage代表二維圖像譜能量。第六步，根據回波強度的均值，表面紋理的視在特性比以及信噪比，確定引起圖像序列產生問題的具體原因，並確定降雨圖像。第七步，針對引起圖像序列產生問題的不同原因進行相應的處理。如果本身採集的圖像序列存在缺失或者海浪回波太小等，直接捨棄該組圖像序列；對於降雨影響嚴重的圖像序列，也直接捨棄；對於降雨影響較輕的圖像序列，進行頻域濾波處理。對於降雨圖像是指降雨影響較輕的圖像序列，其波譜能量分布中，低頻部分存在過多的能量，與正常未受降雨影響的圖像有明顯的差異，設置適當的截斷頻率，進行頻域濾波處理。本發明的優點在於(I)本發明提出一種基於X波段雷達圖像的降雨幹擾抑制方法，與現有降雨幹擾抑制算法相比，引入質量控制，減少了需要進行識別判斷的數據量，提高算法運行速度。(2)本發明提出一種基於X波段雷達圖像的降雨幹擾抑制方法，與現有降雨幹擾抑制算法相比，引入三維參數描述圖像的回波強度變化，它比二維參數能提供更多的信息，描述更接近於真實表面，且能夠給出所研究表面的直觀圖像以及與表面形態有關的足夠信息。(3)本發明提出一種基於X波段雷達圖像的降雨幹擾抑制方法，與現有降雨幹擾抑制算法相比，增加了信噪比做參考，信噪比SNR是波高的直接反應，在波譜分析上可以利用波高的改變來了解能量變化，這樣能更準確的確定雷達回波圖像中受降雨影響的數據，以及影響的程度。(4)本發明提出一種基於X波段雷達圖像的降雨幹擾抑制方法，與現有降雨幹擾抑制算法相比，能更準確地識別降雨資料。
(5)本發明提出一種基於X波段雷達圖像的降雨幹擾抑制方法，與現有降雨幹擾抑制算法相比，提高了海浪參數的反演精度。



圖Ia未受降雨影響的圖像，圖Ib部分受降雨影響的圖像，圖Ic降雨影響嚴重的圖像；圖2a相對信號，圖2b信噪比以及有效波高，圖2c回波強度均值，圖2d表面紋理視在特性比；圖3a未受降雨影響的能譜圖，圖3b受降雨影響的能譜圖；圖4a有效波高對比結果，圖4b周期對比結果，圖4c波向對比結果；其中
代表的是本發明濾波後的結果，-original」代表的是未經濾波的結果，另一個為相應的WAMOS或者WAVEX提供的參考值；圖5為本發明的降雨幹擾抑制方法的流程圖。
具體實施例方式下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細說明。本發明公開的一種基於X波段雷達圖像的降雨幹擾抑制方法，如圖5所示，具體步驟如下第一步，採集N幅空間域海雜波連續圖像，然後選取分析區域構成圖像序列。所述的圖像序列的個數根據需要的反演精度進行設定，本發明中優選圖像序列3組以上。第二步，對各組圖像序列進行3維傅立葉變換得到三維波數-頻率圖像譜；第三步，根據色散關係構造帶通濾波器，濾除三維波數-頻率圖像譜中的非海浪信號，計算相對信號Rp，並根據相對信號Rp的值，確定存在問題的圖像。回波圖像中的降雨、雪，陸地或者目標物等會對海浪波譜分析產生影響。帶通濾波會使得不屬於海浪的噪聲被大量的濾除，但不能完全濾除。那麼濾波前後的能量比例就是一個判定圖像質量好壞的依據。經驗帶通濾波器是根據色散關係構造的，它基於一個最大期望流速(雷達天線與海浪場的最大相對流速)Umax，所述的帶通濾波器滿足
\l{k k ω) k ^[b B ~]E{kx^o)^\ V ^L M
[ 0otherwise其中
r Αωω2λb [ω~ ~ max^J
^ 2
r Αωω2λ B S+^+腿勺+班P g 2式中，I(kx, ky，ω)是濾波前的三維波數-頻率圖像譜，E(kx，ky，ω)為濾波後的三維波數-頻率圖像譜，Λω為頻率解析度，Ak為波數解析度，ω為海浪頻率，g為當地重力加速度，k為波數，Bn, Bp決定帶通濾波器的帶寬，並且假設Bn的定義式中，
權利要求
1.一種基於X波段雷達圖像的降雨幹擾抑制方法，其特徵在於 第一歩，採集N幅空間域海雜波連續圖像，然後選取分析區域構成圖像序列； 第二步，對各組圖像序列進行三維傅立葉變換得到三維波數-頻率圖像譜；第三步，根據色散關係構造帶通濾波器，濾除三維波數-頻率圖像譜中的非海浪信號，計算相對信號Rp，井根據相對信號Rp的值，確定存在問題的圖像序列，具體為相對信號Rp ^ O. 6時，雷達圖像序列是可用的；相對信號Rp < O. 6時，雷達圖像序列是存在問題的；第四步，計算存在問題的各組圖像 序列的三維表面參數；所述的三維表面參數包括回波強度的均值和表面紋理的視在特性比； 第五歩，計算第三步中確定出的存在問題的各組圖像序列的信噪比； 第六步，根據回波強度的均值，表面紋理的視在特性比以及信噪比，確定引起圖像序列產生問題的具體原因，並確定降雨圖像； 第七步，針對引起圖像序列產生問題的不同原因進行相應的處理。
2.根據權利要求I所述的ー種基於X波段雷達圖像的降雨幹擾抑制方法，其特徵在於第三步中所述的帶通濾波器滿足紙，レ)=卜レ)噸み] [ Ootherwise 其中， , Αω ω2B =iニ^-7 竺^ 2 r Αωω2 B = --ニ^ +7 竺 P g 2 式中，I(kx, ky，ω)是濾波前的三維波數-頻率圖像譜，E(kx，ky，ω)為濾波後的三維波數-頻率圖像譜，Λ ω為頻率解析度，Ak為波數解析度，ω為海浪頻率，g為當地重力/ 2ヽ加速度，k為波數，Bn、Bp*帶通濾波器的帶寬，並且假設Bn的定義式中，ひ··^V ^6 ノ / 2 \非負；當—取值為負時，則令Bn = O ; I 2 ^ J 令波數-頻率空間中濾波前的譜I (kx，ky，ω)能量為Eima雙，帶通濾波後的譜E (kx，ky，ω)能量為Ewave，則有相對信號P — ^wave Ρ 五—，。
3.根據權利要求I所述的ー種基於X波段雷達圖像的降雨幹擾抑制方法，其特徵在於第四步所述的回波強度的均值為 I " ave = -^^ η ι= 其中Xi表示雷達圖像上第i個像素點的回波強度值，η表示每幅圖像上像素點的個數。
4.根據權利要求I所述的ー種基於X波段雷達圖像的降雨幹擾抑制方法，其特徵在於第四步所述的表面紋理的視在特性比Sta為
5.根據權利要求I所述的ー種基於X波段雷達圖像的降雨幹擾抑制方法，其特徵在於第四步所述的信噪比的計算公式定義如下
全文摘要
本發明公開了一種基於X波段雷達圖像的降雨幹擾抑制方法，屬於遙感技術領域。所述的方法引入質量控制，確定存在問題的圖像；接著引入三維表面參數來描述雷達回波圖像的三維特性；然後結合信噪比及三維表面參數確定圖像產生問題的原因，並確定降雨圖像；最後利用頻域濾波的方式處理被降雨影響較輕的圖像。與現有降雨幹擾抑制算法相比，本發明減少了需要進行識別判斷的數據量，提高算法運行速度；比二維參數能提供更多的信息，描述更接近於真實表面，且能夠給出所研究表面的直觀圖像以及與表面形態有關的足夠信息；能更準確的確定雷達回波圖像中受降雨影響的數據，以及影響的程度；能更準確地識別降雨資料；提高了海浪參數的反演精度。
文檔編號G01S7/36GK102621531SQ20121010551
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月12日 優先權日2012年4月12日
發明者劉利強, 盧志忠, 宋靜怡, 戴運桃, 李英, 沈繼紅, 王淑娟, 賈瑞才 申請人:哈爾濱工程大學