摘 要 针对传统灰度模型光流法计算海面风场误差较大的问题提出了改进海面风场反演算法 该 算 法 包 含 部分一是根据航海雷达图像特点提出了基于灰度和梯度不变模型光流法的海面风向反演算法并应用直方图统计光流场计算主风向 二 是 应 用 网络建立风速与雷达散射截面电磁波方向与风向的非线性模型 据 此 计 算 风 速最 后 应 用 模 拟 实测图像开展实验 对风向和风速反演结果进行比对 分 析实 验 结 果 表 明 航海雷达具有很高测量风 速风 向 的 能 力 同时也验证了文中算法的可行性
关 键 词 航 海 雷 达 图 像 海 面 风 场光 流 法 网 络
　　海面风场是海洋上层运动的主要动力来源 是海洋学重要的物 理 参 数 海面风场直接影响海上航行海洋工程海 洋 渔 业 等 此 外海 面 风 场 是 海军气象水文环境建设的重要内容可为指战人员的航行正确决策提供重要的科学依据并 且 可 以 提 高武器的使用效能
　　传 统 的 海 面 风 场 监 测 方 法 是 应 用 风 向 标 风 速计单点测量其缺 点 是 费 用 高 无法大面积测量 尤其是对于远海 风 场 测 量 变 得 更 加 困 难 波 段 雷达以其具有高时空分辨率的优点成为海洋遥感领域的一个重 要 分 支 年 等 发 现 雷 达 散射截面 强 度 依 赖 风 速 和入 射 角 根 据 这 一 特 性 可 以 判 断 风 向 年等使用局部梯度法从雷达图像中提取出模糊平均风向并应 用 与 风 向 的 关 系 消 除了 模糊然后将实 测 风 向 作 为 输 入使 用网络方法得到了平均风速 年 等使用基于灰度 不 变 模 型光流法从航海雷达图像中提取出海面风场此方法简单但从实验结果可知风场反演精度不高年 等 综 合 分 析 了 海 况 海 气 边 界 层 信息如海气温差湿度气压等对于风速测量的影响应用 网络得到较高精度的风速
　　国内应用航海雷达测量海面风场的研究目前仅处于起步阶段 针对 模型算法存在 问 题 本文提出了基于灰度和梯度不变模型的海面风场反演算法主要包括 风向反演算法基于图像灰度梯度不变模型光流技术计算海面风向 风 速 反 演 算 法根据 与 风 速风 向 的 关 系 应 用 网 络 计 算风速最后为验证算法的可行性 分别应用模拟和实测雷达图像开展实验
　　传统BCM 模型海面风场反演算法
　　风 掠 过 海 面 时 与 海 面 的 摩 擦 引 起 海 面 的 粗 糙不平风 速风 向 不 同 时 强 度 也 不 同 阵 风 可以体现 在 航 海 雷 达 图 像 中 年 等 首 次应用 模型光流法从航海雷达图像序列中提取出海面风场此方法简单不需要校正雷达相位其基本步骤如下计算图像谱对 雷达图像序列进行离散傅里叶变换得 到 波 数 频 率 域 图 像 谱 其 中为雷达图像序列 为图像空 间 大 小 为图像序列总时间 为波数 为 图像谱色散关系滤波应用色散关系抑制图像谱中海浪噪声对海面风场计算的影响 如其 中 为海浪固有频率 为 重 力 加 速 度为 二 维 波 数 向 量 的 模 为 水 深 为雷达天线与海浪场间相对运动向量 当雷达载体静止时 为 海 表 面 流 为 波数 和 海 流 的 夹 角图像谱反变换对滤波后图像谱进行 傅里叶逆变换得到滤波后图像时 间 滑 动 平 均 由于阵风条纹周期较大应 用 该技术可以抑制时间上变化较快的高频噪声 保 留 周 期 较 大 或静 态 信 号即其 中 为为参与平均数目 为 图 像 总 数 目 为 平 均 后剩 余 图 像 数 目 为 平 均 后 序 列图 像 缩 减 航海雷达图像中 阵风空间尺度范围在 应用图像缩减方法抑制尺度小的噪声如其 中为 高 斯 权 矩 阵 对 图 像 按 式 处 理 后 频 带 以 倍 率 减小图 像 以 倍 率 减 小建立运动约束方程 计 算 光 流 场 假 设 短 时 间 内图像灰度是不变的可以得到约束方程其 中 为 图 像 灰 度 值 图 像 空 间坐 标 为 光 流 和 为 光 流 分 量 为 幅 图 像的 时 间 间 隔 应用加权最小二乘法计算单个像素运动的公式 为其 中 表 示 或计 算 主 风 速 主 风 向对得到的某一区域内光流场进行直方图统计 直方图的最大值即为主风向或主风速基于 模型海面风场反演算法海面风向反演算法建 立 模 型 能 量 函 数 令 表 示 海杂 波 图 像 序 列 是 空 间 区 域 内 坐 标计算机辅助设计与图形学学报 第 卷第 期 袁 赣 南等应用模拟海杂波图像反演海面风场算法研究下面按照图 对求解进行详细叙述迭 代 初 始 化 令光流分量和光流增量均为零即根 据求解光流增量其中 为第 次迭代 第 次迭代时的光流增量 分 别 定 义 为其 中 表示已经迭代更新的像素点 表示未迭代更新的点根据相对误差判断结果是否满足要求 若 不 满足则将最新光流增量作为已知继 续 迭 代 过 程否 则 输 出光 流 增 量根 据 和 计算此像素点的光流根据相对误差判断光流结果是否满足要求若满足则输出此像素点光流 否则则判断迭代 的 次 数 是 否 已达 上 限上 限 为 即 图 像 总 数 减 若 迭 代 次 数 未 达到上限则将最新光流作为已知 继 续 迭 代 过 程若 已 达 上限则采取高分辨率到低分辨率策略 应用高斯低通滤波器得到低分辨率图像 使用新图像进行迭代完成存在大偏移量时风向的提取对得到的光流场进行直方图统计 求 取 频 率 最大 值 将 频 率 的角度值矢量平均得到主风向海面风速反演算法年 等 指 出 主要依赖风速和雷达 入 射 角 与 风 向 的 夹 角 即 风 速 越 大 越 强雷达入射角和风向相 同 时 越 强反 之则弱 根据这一特性可由 与风向得到风速 下面介绍基于 网络技术的风速反演算法图 所示 为 含 有 个 隐 层 的 网 络 结 构 图输 入为平均 值风向与电磁波方向 隐层 有个神经元隐层 有 个 神 经 元 输 出 为 风 速 每 个神 经元的输出为 其中为具体到 每 个 神 经 元 的 偏 差 值 为 神 经 元 的输入总数 输 入 权 值 为 输 入 值 为 非 线 性 转移函数其特点是函数本身和导数都是连续的 单极性 函数定义为图 网 络 结 构实验与结果分析模拟图像实验与结果分析雷达图像仿真如图 所示采 用 谱 作 为 靶 谱 输 入测量海域平 均 水 深 天 线 距 离 海 面 高 度天线距离测 量 区 域 最 近 距 离 海 洋 表 面 流 速设置为 流 向 为 为了研究风速反演算法的性能设定 风 速 的 变 化 范 围 为 主波风向变化范围为 模拟雷达 图 像 如 图所示共 组图 波 向 风 速 时 频 率 方 向 谱风向结果模拟雷达 图 像 时 风 向 变 化 范 围 称参考 风 向 将 传 统 模 型 计 算 的 风 向 称风 向 基 于 模 型 计 算 的 风 向称风 向 与 参 考 风 向 比 对 验 证 本 文 算 法 的计算机辅助设计与图形学学报 第 卷图 不同调制影响下雷达图像仿真性 能实验时取比例调节系数 和 值分别为图像总数 为表 所 示 为 风 向 的 误 差 统 计 结 果 可 以 看 出风 向 偏 差 为 标 准 差 为 说 明风 向 波 动 较 小 并且与参考风向的一致性很好相关系数为 误 差 仅 为 其 性 能 优 于传统 模型表 仿真图像风向误差统计模 型 相 关 系 数 偏 差 标 准 差 误 差由图 可直观 地 看 出 风 向 与 参 考 风 向的散点均匀分 布 在 线 段 的 两 侧并 且 稳 态 性能好波动小而 风向波动较大散点分布较乱图 仿真图像风向散点图图 仿真图像风速散点图风速结果为检验基于 网 络 风 速 反 演 算 法 性 能将 其计算的风速与模拟图像时输入风速称参考风速比对实验中将 训 练 和 测 试 数 据 按 照 比 例 分配训练阶段反演的风速称为训练风速 测试阶段计算的风速称为 测试风速从图 可看出不论是训练阶段还是测试阶段反演的风速与参考风速相关性均很好 实 验 结 果 验第 期 袁 赣 南等应用模拟海杂波图像反演海面风场算法研究证了应用 网络计算风速的可行性表 所示为 网 络 与 传 统 模 型 反 演 的风速误差统计情况 可以看出 网络反演的风 速其各项指标远由于传统 风速表 仿真实验风速误差统计模 型 相 关 系 数 偏 差 标 准 差 误 差训 练测 试真实雷达图像实验与结果分析实验环境图 雷达获取图像风向散点图实 验 期 间 出 现 短 暂 西 南 风其 他 时 间 以 东 北 风为主风 速 变 化 范 围 实 验 期 间 共 获 取 了组 不 连 续 的 数 据 将 风 向 标 测 量 的 风 向 称 为参考风向 风速计测量的风速称为 参考风速风向结果图 所示为 风 向 风 向 与 参 考 风 向散点图比较 两 图 可 直 观 地 看 出 风 向 与 参 考风向的相关性 更 好并 且 误 差 更 小 表 所 示 为 风 向误差统计由统计结果可知 风向误差为满足工程应用要求而传统 风向误差为表 雷达获取图像风向误差统计模 型 相 关 系 数 偏 差 标 准 差 误 差风速结果图 所 示 为 训 练 测 试 阶 段 风 速 与 参 考 风 速 散点图由图 可 知不论是低风速段还是高风速段实测风速均具有很高的精度 并且具有较高稳定性散点基本上分布在 两侧图 雷达获取图像风速散点图表 所示为风速误差统计情况 应 用 传 统模型 光 流 法 计 算 的 风 速 误 差 为 相 关 系 数为 其性能远低于 网络方法表 雷达获取图像风速误差统计模 型 相 关 系 数 标 准 差 偏 差 误 差训 练测 试计算机辅助设计与图形学学报 第 卷
　　总 结
　　本文提出了一种基于灰度和梯度不变模型的海面风场反演算法 应用模拟实测航海雷达图像开展实验得到了以下结论基于 模型风向 反 演 算 法 具 有 较 高 风向测 量 精 度 模 拟 实测图像实验结果均表明风向性能远优于传统 风向基于 网络风速反演方法是可行的 模拟实测图 像 实 验 结 果 表 明 其 性 能 远 由 于 传 统方法应用 模型光流 法 计 算 的 风 向 无模糊此方法简单无需校正雷达相位
　　参考文献崔 利 民 波段雷达海浪与海流遥感机理与信息提取方法研究 北 京 中国科学院研究生院杨 劲 松合成孔径雷达海面风场海 浪 和 内 波 遥 感 技 术北 京 海 洋 出 版 社潘 金 山 苏 志 勋 王 伟运 动 细 节 估 计 的 光 流 场 方 法计算机辅助设计与图形学学报段 先 华 王 元 全 王 平 安 等 利 用 滤波的相位图像进 行 光 流 估 计 计算机辅助设计与图形学学报王 剑段 华 敏 波段雷达图像提取海洋表面风场 海洋 技 术卢 宗 庆 运动图像分析中的光流计算方法研究 西 安西安电子科技大学第 期 袁 赣 南等应用模拟海杂波图像反演海面风场算法研究