一种雷达径向流的矢量流合成方法及系统

摘要

本发明实施例公开了一种雷达径向流的矢量流合成方法，包括：确定共同覆盖目标探测海域的多个目标雷达；对每个目标雷达的径向流速图建立矩形网格并初始化海态信息；确定雷达组合的数量；对每个雷达组合的径向流速图合成，对合成矢量流进行第一次后处理得到一幅矢量流图；对每幅矢量流图中每个网格单元的合成矢量流标记对应的质量因子，选取质量因子最高的合成矢量流作为该网格单元的海流结果；对各个网格单元的海流结果进行第二次后处理，得到最终海流结果，基于每个网格单元的最终海流结果得到目标探测海域内的矢量流场。本发明实施例还公开了一种雷达径向流的矢量流合成系统。本发明提高了雷达的海流探测精度以及提升了雷达网海流探测的稳定性。

说明书

技术领域

本发明涉及雷达技术领域，具体而言，涉及一种雷达径向流的矢量流合成方法及系统。

背景技术

在高频地波雷达探测径向流的反演技术中，对于矢量海流的合成普遍采用两类算法：1）通过单个雷达求解矢量流速及流向；2）通过两个雷达的径向流进行矢量合成。对于第二种算法，参与矢量合成的径向流未进行质量标记，容易将质量差的径向流引入，增大误差；合成矢量流未进行矢量标记，致使无法删除低质量合成矢量流，使得获取的海流数据可信度较低，雷达海流探测精度低；由于只对两个雷达的径向流进行矢量合成，无法在雷达组网时对多个雷达的径向流进行融合，如果其中一个雷达无法正常工作，会导致无法合成矢量流，使得雷达网海流探测稳定性低。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种雷达径向流的矢量流合成方法及系统，使海流探测时能够获得可信度较高的海流数据，提高了雷达的海流探测精度以及提升了雷达网海流探测的稳定性。

本发明实施例提供了一种雷达径向流的矢量流合成方法，所述方法包括：

根据每个雷达的覆盖海域，确定共同覆盖目标探测海域的多个目标雷达，其中，所述每个雷达的覆盖海域根据当前时刻对应的径向流数据得到，所述多个目标雷达的数量大于或等于3；

对每个目标雷达，获取一幅径向流速图，对所述径向流速图在目标探测海域建立矩形网格，并在每个网格单元上初始化海态信息，其中，所述矩形网格包括多个网格单元，所述海态信息包括流速和流量；

确定雷达组合的数量

对所述集合内的每个雷达组合所包含的目标雷达的径向流速图，确定各个网格单元是否满足合成条件，并将满足合成条件的网格单元的矢量流进行合成，对每个网格单元的合成矢量流进行第一次后处理，得到一幅矢量流图；

对每幅矢量流图中每个网格单元的合成矢量流标记对应的质量因子，对同一网格单元，选取多幅矢量流图中质量因子最高的合成矢量流作为该网格单元的海流结果，其中，所述质量因子根据网格单元的合成几何精度因子加权计算得到；

对各个网格单元的海流结果进行第二次后处理，得到每个网格单元的最终海流结果，基于每个网格单元的最终海流结果得到目标探测海域内的矢量流场。

作为本发明进一步的改进，所述合成条件包括：

雷达组合的每幅径向流速图中同一位置的网格单元均不超出流速区域外边缘；

雷达组合的每幅径向流速图中同一位置的网格单元均不位于基线不稳定区域。

作为本发明进一步的改进，对于处于基线不稳定区域的网格单元，如果该网格单元不存在合成矢量流，则对该网格单元进行插值补齐，得到该网格单元的海流结果。

作为本发明进一步的改进，所述第一次后处理包括：

对每个网格单元的合成矢量流进行野值剔除、流场平滑滤波、取方差最小流速和流场插值 中的一种或多种处理。

作为本发明进一步的改进，所述第二次后处理包括：

对每个网格单元的海流结果进行野值剔除、流场平滑滤波、取方差最小流速和流场插值中的一种或多种处理。

本发明实施例还提供了一种雷达径向流的矢量流合成系统，所述系统包括：

目标雷达确定模块，用于根据每个雷达的覆盖海域，确定共同覆盖目标探测海域的多个目标雷达，其中，所述每个雷达的覆盖海域根据当前时刻对应的径向流数据得到，所述多个目标雷达的数量大于或等于3；

径向流速图初始化模块，用于对每个目标雷达，获取一幅径向流速图，对所述径向流速图在目标探测海域建立矩形网格，并在每个网格单元上初始化海态信息，其中，所述矩形网格包括多个网格单元，所述海态信息包括流速和流量；

雷达组合确定模块，用于确定雷达组合的数量

矢量流合成模块，用于对所述集合内的每个雷达组合所包含的目标雷达的径向流速图，确定各个网格单元是否满足合成条件，并将满足合成条件的网格单元的矢量流进行合成，对每个网格单元的合成矢量流进行第一次后处理，得到一幅矢量流图；

质量标记评估模块，用于对每幅矢量流图中每个网格单元的合成矢量流标记对应的质量因子，对同一网格单元，选取多幅矢量流图中质量因子最高的合成矢量流作为该网格单元的海流结果，其中，所述质量因子根据网格单元的合成几何精度因子加权计算得到；

结果输出模块，用于对各个网格单元的海流结果进行第二次后处理，得到每个网格单元的最终海流结果，基于每个网格单元的最终海流结果得到目标探测海域内的矢量流场。

作为本发明进一步的改进，所述合成条件包括：

雷达组合的每幅径向流速图中同一位置的网格单元均不超出流速区域外边缘；

雷达组合的每幅径向流速图中同一位置的网格单元均不位于基线不稳定区域。

作为本发明进一步的改进，对于处于基线不稳定区域的网格单元，如果该网格单元不存在合成矢量流，则对该网格单元进行插值补齐，得到该网格单元的海流结果。

作为本发明进一步的改进，所述第一次后处理包括：

对每个网格单元的合成矢量流进行野值剔除、流场平滑滤波、取方差最小流速和流场插值 中的一种或多种处理。

作为本发明进一步的改进，所述第二次后处理包括：

对每个网格单元的海流结果进行野值剔除、流场平滑滤波、取方差最小流速和流场插值中的一种或多种处理。

本发明的有益效果为：

对雷达网的径向流速图采用多图融合合成，使得共同覆盖目标探测海域的所有目标雷达的径向流都间接参与了最终矢量流场的合成，间接建立了最终的矢量流场精度与海况、流速空间分布、噪声环境及雷达参数等影响探测精度的关键因素之间的联系，使得海流探测时能够获得可信度较高的海流数据，提高了雷达的海流探测精度以及提升了雷达网海流探测的稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一示例性实施例所述的一种雷达径向流的矢量流合成方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明的描述中，所用术语仅用于说明目的，并非旨在限制本发明的范围。术语“包括”和/或“包含”用于指定所述元件、步骤、操作和/或组件的存在，但并不排除存在或添加一个或多个其他元件、步骤、操作和/或组件的情况。术语“第一”、“第二”等可能用于描述各种元件，不代表顺序，且不对这些元件起限定作用。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个及两个以上。这些术语仅用于区分一个元素和另一个元素。结合以下附图，这些和/或其他方面变得显而易见，并且，本领域普通技术人员更容易理解关于本发明所述实施例的说明。附图仅出于说明的目的用来描绘本发明所述实施例。本领域技术人员将很容易地从以下说明中认识到，在不背离本发明所述原理的情况下，可以采用本发明所示结构和方法的替代实施例。

本发明实施例所述的一种雷达径向流的矢量流合成方法，如图1所示，所述方法包括：

根据每个雷达的覆盖海域，确定共同覆盖目标探测海域的多个目标雷达，其中，所述每个雷达的覆盖海域根据当前时刻对应的径向流数据得到，所述多个目标雷达的数量大于或等于3；

对每个目标雷达，获取一幅径向流速图，对所述径向流速图在目标探测海域建立矩形网格，并在每个网格单元上初始化海态信息，其中，所述矩形网格包括多个网格单元，所述海态信息包括流速和流量；

确定雷达组合的数量

对所述集合内的每个雷达组合所包含的目标雷达的径向流速图，确定各个网格单元是否满足合成条件，并将满足合成条件的网格单元的矢量流进行合成，对每个网格单元的合成矢量流进行第一次后处理，得到一幅矢量流图；

对每幅矢量流图中每个网格单元的合成矢量流标记对应的质量因子，对同一网格单元，选取多幅矢量流图中质量因子最高的合成矢量流作为该网格单元的海流结果，其中，所述质量因子根据网格单元的合成几何精度因子加权计算得到；

对各个网格单元的海流结果进行第二次后处理，得到每个网格单元的最终海流结果，基于每个网格单元的最终海流结果得到目标探测海域内的矢量流场。

高频地波雷达已经广泛应用于海洋表面状态监测，海态参数主要包括风、浪以及流场三个方面。海态参数监测的核心重点是海态反演算法，其中海流反演算法是最成熟的，流场参数主要是对海流流速、流向的反演，海流在雷达探测波束方向上的速度分量会使多普勒回波谱中的一阶布拉格（Bragg）峰的位置产生频移，根据该频移以及频散关系（波动频率与波长之间的关系）求解出雷达径向方向上的径向速度分量大小，利用多重信号分类算法（MUSIC算法）依据回波信号的空间谱结构确定径向速度的方位（即来波方向）。目前，该海流反演算法已经广泛应用于高频地波雷达探测径向流的反演。

对于矢量海流的合成算法还未完全成熟，目前普遍采用两类算法：一类是通过单部雷达求解矢量流速及流向，求解的方法是基于海洋流速在一定范围内保持平稳或不变前提条件下，利用一定合成范围内的径向流速信息通过最小二乘、流函数模型等方法进行矢量合成，得到矢量流流场；另一类是通过两部雷达进行矢量流速合成即采用两部雷达波束同时辐射在同一片海域，根据各个方向上的速度分量（即多个径向流）进行矢量合成，从而求解出公共探测海域的海流的矢量流流场。目前采用两部雷达进行矢量流合成算法应用相对较为普遍。但是合成矢量流未进行矢量标记，致使无法删除低质量合成矢量流，使得获取的海流数据可信度较低，雷达海流探测精度低；由于只对两个雷达的径向流进行矢量合成，无法在雷达组网时对多个雷达的径向流进行融合，如果其中一个雷达无法正常工作，会导致无法合成矢量流，使得雷达网海流探测稳定性低。

本发明所述方法在高频地波雷达系统反演矢量流场的过程中，对多个目标雷达（大于或等于3个）共同覆盖目标探测海域，每个目标雷达都会获得一幅径向流速图，将共同覆盖目标探测海域内的多幅径向流速图采用相互融合合成，即每两幅或以上幅径向流速图融合产生一幅矢量流图，对合成后的每个网格单元的合成矢量流数据进行质量评估和质量标记，选择质量等级最高的合成矢量流作为最终海流结果，最终获得共同覆盖目标探测海域内的矢量流场。在标记时，质量因子是根据网格单元的合成几何精度因子加权计算得到的，该合成几何精度因子（GDOP）是预先通过空间几何关系计算得到的，质量因子的加权系数通过预先设定。所述方法对雷达网的径向流速图采用多图融合合成，使得共同覆盖目标探测海域的所有目标雷达的径向流都间接参与了最终矢量流场的合成，间接建立了最终的矢量流场精度与海况、流速空间分布、噪声环境及雷达参数等影响探测精度的关键因素之间的联系，使得海流探测时能够获得可信度较高的海流数据，提高了雷达的海流探测精度以及提升了雷达网海流探测的稳定性。

本发明所述方法应用于雷达组网时，对共同覆盖目标探测海域的多个目标雷达根据合成需求确定雷达组合的数量，要将多个目标雷达中每两个或以上个目标雷达作为一个雷达组合进行矢量流合成，存在多个雷达组合，一个雷达组合所包含的目标雷达的数量

一种可选的实施方式，所述合成条件包括：

雷达组合的每幅径向流速图中同一位置的网格单元均不超出流速区域外边缘；

雷达组合的每幅径向流速图中同一位置的网格单元均不位于基线不稳定区域。

本发明所述方法对雷达组合的径向流速图进行矢量流合成时，对每幅径向流速图中相同网格单元（即同一位置的网格单元）进行合成条件的判断，以根据判断结果确定是否对该网格单元的矢量流进行合成。当网格单元超出流速区域外（即单个雷达站点生成的径向流场的一个扇形区域）边缘，则对该网格单元的矢量流不合成，反之合成。当网格单元位于基线不稳定区域（即两个雷达站点的连线附近正负5°的区域），则对该网格单元的矢量流不合成，反之合成。

一种可选的实施方式，对于处于基线不稳定区域的网格单元，如果该网格单元不存在合成矢量流，则对该网格单元进行插值补齐 ，得到该网格单元的海流结果。

本发明在对当前雷达组合进行矢量流合成时，基线不稳定区域的网格单元被剔除不合成，存在以下两种情况：

（1）如果该网格单元存在其他雷达组合的合成矢量流，则对该网格单元选取质量因子最高的合成矢量流作为该网格单元的海流结果；

（2）如果该网格单元不存在其他雷达组合的合成矢量流，即该网格单元不存在合成矢量流，则需要对该网格单元进行插值补齐处理，以得到该网格单元的海流结果。

其中，差值补齐时，对该网格单元，将其周围的几个网格单元的数值做平均处理后补充至该网格单元。

一种可选的实施方式中，所述第一次后处理包括：

对每个网格单元的合成矢量流进行野值剔除、流场平滑滤波、取方差最小流速和流场插值中的一种或多种处理。

一种可选的实施方式中，所述第二次后处理包括：

对每个网格单元的海流结果进行野值剔除、流场平滑滤波、取方差最小流速和流场插值中的一种或多种处理。

下面将详述本发明所述方法的流程。

S1，读取径向流数据文件，获得每个雷达的覆盖范围：

在雷达系统指定文件夹下，搜索当前时刻对应的所有需要参与矢量流合成的目标雷达（以下简称站点）的径向流数据文件，读取数据文件，获得每个站点的覆盖范围；

S2，规整网格：

在目标探测海域，建立矩形网格，网格分辨率为0.5°x 0.5°；

S3，初始化海态：

在建立的矩形网格的每个网格单元上初始化海态信息，即对网格单元存储数据的初始化，例如流速流向初始化为NaN，数据质量初始化为-1；

S4，确定雷达组合方式：

共有5个站点共同覆盖目标探测海域，两个站点为一个雷达组合（以下简称双站），共存在

S5，获取参与矢量流合成的站点的径向流速列表：

获得参与矢量流合成的双站的径向流速和方位信息；该径向流速列表中存储的是可以下一步参与判断是否满足合成条件的径向流速图的列表清单；

S6，判断径向流速列表中参与矢量流合成的双站的径向流速图的网格单元是否满足合成条件：

网格单元是否超出流速区域外边缘，若超出则对该网格单元不合成，反之合成；

网格单元是否位于基线不稳定区域，若位于则对该网格单元不合成，反之合成；

S7，矢量流合成：

对满足合成条件的每个网格单元进行矢量流合成，同时根据合成几何精度因子（GDOP）加权计算合成质量；

S8，对上述合成的矢量流流场进行第一次后处理：

主要包括野值剔除、流场平滑滤波、对网格单元上存在多个流速的情况取方差最小流速、流场插值；

S9，建立候选矢量流速列表：

将当前双站的合成矢量流添加进候选矢量流速列表，用于后续筛选；

S10，重复S5-S9，得到所有双站的合成矢量流并添加至候选径向流速列表中；

S11，取质量等级最高的合成矢量流：

根据质量因子筛选出每个网格单元质量等级最高的合成矢量流作为该网格单元的海流结果；

在S6中，双站矢量流合成时，网格单元位于基线不稳定区域则该网格单元不合成，如果该网格单元存在其他双站的合成矢量流，则对该网格单元选取质量因子最高的合成矢量流作为该网格单元的海流结果；如果该网格单元不存在其他双站的合成矢量流，则需要对该网格单元进行插值补齐处理，以得到该网格单元的海流结果；

S12，对筛选出的海流结果进行第二次后处理：

主要包括野值剔除、流场平滑滤波、对网格单元上存在多个流速的情况取方差最小流速、流场插值；

S13，输出结果并保存。

本发明实施例所述的一种雷达径向流的矢量流合成系统，所述系统包括：

目标雷达确定模块，用于根据每个雷达的覆盖海域，确定共同覆盖目标探测海域的多个目标雷达，其中，所述每个雷达的覆盖海域根据当前时刻对应的径向流数据得到，所述多个目标雷达的数量大于或等于3；

径向流速图初始化模块，用于对每个目标雷达，获取一幅径向流速图，对所述径向流速图在目标探测海域建立矩形网格，并在每个网格单元上初始化海态信息，其中，所述矩形网格包括多个网格单元，所述海态信息包括流速和流量；

雷达组合确定模块，用于确定雷达组合的数量

矢量流合成模块，用于对所述集合内的每个雷达组合所包含的目标雷达的径向流速图，确定各个网格单元是否满足合成条件，并将满足合成条件的网格单元的矢量流进行合成，对每个网格单元的合成矢量流进行第一次后处理，得到一幅矢量流图；

质量标记评估模块，用于对每幅矢量流图中每个网格单元的合成矢量流标记对应的质量因子，对同一网格单元，选取多幅矢量流图中质量因子最高的合成矢量流作为该网格单元的海流结果，其中，所述质量因子根据网格单元的合成几何精度因子加权计算得到；

结果输出模块，用于对各个网格单元的海流结果进行第二次后处理，得到每个网格单元的最终海流结果，基于每个网格单元的最终海流结果得到目标探测海域内的矢量流场。

一种可选的实施方式，所述合成条件包括：

雷达组合的每幅径向流速图中同一位置的网格单元均不超出流速区域外边缘；

雷达组合的每幅径向流速图中同一位置的网格单元均不位于基线不稳定区域。

一种可选的实施方式，对于处于基线不稳定区域的网格单元，如果该网格单元不存在合成矢量流，则对该网格单元进行插值补齐，得到该网格单元的海流结果。

一种可选的实施方式，所述第一次后处理包括：

对每个网格单元的合成矢量流进行野值剔除、流场平滑滤波、取方差最小流速和流场插值 中的一种或多种处理。

一种可选的实施方式，所述第二次后处理包括：

对每个网格单元的海流结果进行野值剔除、流场平滑滤波、取方差最小流速和流场插值中的一种或多种处理。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

此外，本领域普通技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

本领域技术人员应理解，尽管已经参考示例性实施例描述了本发明，但是在不脱离本发明的范围的情况下，可进行各种改变并可用等同物替换其元件。另外，在不脱离本发明的实质范围的情况下，可进行许多修改以使特定情况或材料适应本发明的教导。因此，本发明不限于所公开的特定实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。