[发明专利]一种基于分水岭分割的高频海洋雷达一阶回波提取方法

说明书

本发明提供了一种基于分水岭分割的高频海洋雷达一阶回波提取方法，属于高频地波雷达海洋环境监测技术领域。本发明把雷达收集的距离‑多普勒幅度图看成一副灰度图像，采用图像处理方法使得一阶海洋回波得以增强，进而利用基于标记控制的分水岭分割方法对正负多普勒频率两部分图像分别进行分割以提取出包含一阶回波的图像区域，最后利用预设的信噪比阈值进一步剔除不满足信噪比要求的频点，最终提取出回波谱中的一阶海洋回波信号。相较于现有方法，本发明不再是逐个距离元提取一阶回波，而是一次性提取整个距离‑多普勒谱中的一阶回波。本发明仅仅需要预设一个信噪比参数，因此大大简化了雷达运行中的参数调整、优化过程。

技术领域

本发明属于高频雷达海洋环境监测技术领域，尤其涉及高频海洋雷达回波谱中海洋回波信号的提取方法。

背景技术

工作在3到30MHz的高频海洋雷达利用电磁波能够沿着地球表面绕射传播来实现对海洋的超视距探测。目前，高频海洋雷达已经被公认为能够实现海洋表面的风、浪、流等动力学要素的大范围、全天候遥感。我国具有漫长的海岸线，因此，高频海洋雷达海洋环境监测技术的发展对于我国社会、经济建设和实现海洋强国都有重要的意义。

高频雷达接收到的海洋回波包含了由波长等于雷达发射电磁波波长一半的海浪产生的一阶布拉格回波以及在海面上发生两次及以上反射后进入接收机的高阶回波。而且，高阶回波谱总是围绕在一阶回波谱周围。由于海洋表面流场信息的获取完全依赖于一阶回波信号。因此，准确的提取一阶回波信号对于流场反演至关重要。在海洋雷达发展初期，人们目前常用的一阶回波谱区域检测方法是差谱法。差谱法的基本思路是利用一阶谱区与高阶谱区之间存在一个较为陡峭的下降沿来确定一阶海洋回波谱区。在实际使用中人们发现，该方法在遇到一阶回波谱区域内相邻频点的一阶回波信号存在跳变时不能很好的分离出一阶回波信号。此后，另一种基于局部最小值查找法的方法被广泛的应用来代替原有的差谱法。这种方法需要预设多个参数，包括雷达探测区域内的最大流速值、信噪比阈值、计算噪声强度所用频点集合的位置、多普勒谱平滑窗长度、局部最小值查找起始位置等参数。这些参数在雷达建站的时候利用人工试错的方式确定，并且在之后很少改动这些参数。事实上，在雷达探测范围内整体流速大小比较稳定或者雷达探测范围内海况等级比较稳定的情况下，基于局部最小值查找法是能够比较准确的检测出回波的一阶峰区域。但是，雷达回波谱的形态随着海态的变化是会发生剧烈变化的。在同一雷达探测区域内，随着季节的变化，气候变化很大，导致海面上真实的海态产生很大的变化，最终致使雷达回波谱的形态产生变化。此时，基于局部最小值查找法需要根据海况调整预设参数才能保证一阶回波提取结果的准确性。而在雷达运行过程中，人为的经常性地调整差谱法的参数是不现实的。因此，急需更加稳健的一阶谱区检测方法来保证高频海洋雷达在不同海况下的海流测量性能。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于分水岭分割的高频海洋雷达一阶回波提取方法，用以提高雷达回波中一阶回波的提取精度，进而提高雷达的海流观测性能，使得在不同海况下接收到的高频海洋雷达一阶回波信号能够更加准确的被提取出来。

本发明的技术方案为：一种基于分水岭分割的高频海洋雷达一阶回波提取方法，所述的一阶回波提取方法把雷达收集的海洋回波的距离-多普勒幅度图看成一副灰度图像，采用基于标记控制的分水岭分割方法对正负多普勒频率两部分图像分别进行分割以提取出正负一阶回波，具体的一阶回波提取过程包含以下步骤：

步骤1：计算雷达回波中各个距离元上多普勒回波的均值和最大值；

步骤2：每个频点上的回波减去当前距离元回波的均值；

步骤3：利用步骤1计算出来的均值和最大值对步骤2输出的数据进行归一化，得到归一化的灰度图；

步骤4：对步骤3输出的数据计算每个距离元上90％的分位数；

步骤5：每个频点上的回波除以步骤4输出的当前距离元上的分位数；

步骤6：把步骤5输出的大于数值1的数据全设置为数值1；