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航海雷达图像反演海面风向风速方法研究

摘要

全天候、立体化的海洋环境监测在研究和保护海洋生态系统、舰船航行安全等方

面起着重要的作用。目前，通过航海雷达获取的海杂波图像能够结合相应算法反演海

面风、流以及降雨等多种海洋动力学参数，其中已有文献的风参数反演算法大多是基

于固定平台的航海雷达数据，然而舰船在航行过程中面临的情况会更为复杂，因此如

何在移动状态下连续测量本船附近海面的风向和风速信息具有重要的研究价值。本文

结合团队正在进行的科研项目，对基于航海雷达图像反演海面风向以及风速的技术进

行了研究，利用雷达图像中回波强度与风参数的依赖关系提出了两种应用于不同海况

的海面风向反演和一种海面风速反演技术方案，随后对长脉冲模式下航海雷达图像的

风参数反演技术进行了研究，并应用海上实测数据对提出的反演技术进行了验证，为

海洋环境监测提供了更加全面且准确的风参数。本文的主要研究工作如下：

1、针对传统单曲线拟合法无法适应不稳定的海表面风场及遮挡区问题，提出了一

种基于离散小波变换（DiscreteWaveletTransform,DWT）的航海雷达图像风向反演方

2D-DWT

法。该方法首先通过二维离散小波变换（）将去除遮挡区域的雷达图像分解

为不同的低频子图像，并选择合适的低频子图像，克服了海面风场不稳定这一问题；

随后通过在曲线拟合时对船艏附近的数据进行加权以扩大数据的方位角尺度，克服了

风向位于雷达图像中船艏附近时对曲线拟合的影响；最后，将低频子图像在距离范围

上的平均雷达回波拟合至方位角的余弦平方函数，从而通过拟合曲线的峰值确定风

向。结果表明，与单曲线拟合法和双曲线拟合法相比，基于DWT的方法明显提高了风

向的反演精度，相关系数分别提高了0.02和0.13，平均偏差分别降低了12.9°和

28.8°，均方根误差分别降低了7.8°和41.6°。与之前提出的风向反演算法不同，该

方法更适用于航行中的船舶，即使雷达数据被严重遮挡的情况下也能稳定地反演风

向。

2、针对航海雷达图像中的目标、局部遮挡区以及其他异常值的干扰，提出了一种

基于衰减水平分量（AttenuationHorizontalComponent,AHC）的航海雷达图像风向反演

算法。传统的曲线拟合方法通过对整个距离的雷达回波进行平均来反演风向，但容易

受到目标物体和远距离低强度像素点的干扰。该方法首先通过选取雷达图像同一距离

中强度值最高的像素点推导出理想的距离衰减模型；随后利用理想衰减模型对各方位

角的衰减数据进行拟合来计算衰减水平分量，并使用迭代优化的方法更新数据的权

哈尔滨工程大学博士学位论文

重，克服了目标及异常值的影响；最后，根据衰减水平分量的方位依赖性确定风向。

通过在东海采集的舰载雷达图像和风参考数据对该算法进行了测试。结果表明，与单

曲线拟合法相比，该算法能够明显提高雷达图像中目标较多时的风向反演精度,风向结

果的平均偏差和均方根误差分别降低了16.3°和16.2°，克服了舰船在复杂海况情况

下风向的反演困难。

3、针对海面风速反演算法在雷达图像中研究区域选择的问题，提出了一种基于逆

风方向衰减水平分量（UpwindDirection-AttenuationHorizontalComponent,UD-AHC）

的航海雷达图像风速反演方法。该方法首先分别研究了雷达图像中不同方位角和距离

范围的回波强度与风速的相关性，实验结果表明，逆风方向和全距离区域的回波强度

与风速的相关性最强；在此基础上，结合衰减水平分量法建立逆风方向的衰减函数模

型，克服了雷达图像中异常值的干扰；最后，建立逆风方向衰减函数全距离范围积分

面积与参考风速之间的三次多项式函数模型来反演风速。通过在黄海航行的舰载雷达

数据验证了该算法的有效性。实验结果表明，与传统的风速反演方法相比，该算法明

显提高了风速反演精度，平均偏差和均方根误差分别降低了0.7m/s和0.6m/s，有效降

低了雷达图像中异常值的干扰，为舰船航行提供了准确的风速信息。

4、针对现有海表面风参数反演方法都是基于短脉冲模式下的航海雷达数据，而舰

船航行时航海雷达通常以长脉冲模式运行这一问题，提出了基