一种SAR图像海洋涡旋检测方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种SAR图像海洋涡旋检测方法及系统，从距离多普勒域出发，充分考虑了海洋涡旋的速度特征，以由SAR单视复图像分割形成的子图像作为分析对象，计算海表面多普勒速度梯度，从而确定涡旋中心和涡旋尺度，有效提高了基于SAR图像的海洋涡旋检测概率，同时降低了基于SAR图像的海洋涡旋误检概率，系统简单，方法可行。方法可行。方法可行。

【技术实现步骤摘要】
一种SAR图像海洋涡旋检测方法及系统


[0001]本专利技术属于合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)信号处理
及海洋遥感应用
，具体涉及一种SAR图像海洋涡旋检测方法及系统。

技术介绍

[0002]海洋涡旋是一种旋转的、以封闭环流为主要特征的水体，是由于各种气象因素作用和海洋动力不稳定性造成的，并在全球海域广泛分布，对海洋、大气环境有着重要作用。合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)是一种主动式微波成像传感器，与传统光学遥感和红外遥感相比，SAR具备全天候、全天时、大范围、高分辨率的成像能力，使其在海洋应用上具有得天独厚的优势，并成为探测海洋涡旋的主要手段之一。
[0003]现有的SAR图像海洋涡旋检测算法主要是基于海洋涡旋在SAR幅度图上的亮暗特征，即利用海洋涡旋的灰度梯度特征进行检测的。SAR图像的灰度主要取决于海面散射强度，而改变海面散射强度的机理主要是海表面流“辐聚辐散”所导致的Bragg波增强或者削弱，这种“辐聚辐散”效应主要取决于海表面流场的散度。但是对于海洋涡旋来说，海面流场以旋度为主，散度非常弱，难以在SAR图像上形成显著的明暗纹理；另一方面，海洋涡旋的亮暗通常受雷达成像系统、海况等多种因素影响，使得一些海洋涡旋在SAR幅度图像表现出很弱的亮暗特征，甚至不可见，这为基于幅度的检测算法带来了极大困扰。因此，为了精确地从SAR图像上检测海洋涡旋，亟需挖掘海洋涡旋的其他特征，使得海洋涡旋的检测不仅仅局限于SAR幅度图。
[0004]综上所述，现有的SAR图像海洋涡旋检测方法主要从幅度出发，仅考虑了灰度特征，不可避免地导致了较高的虚警率和漏检率。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术提供了一种SAR图像海洋涡旋检测方法及系统，能够基于海表面多普勒速度检测海洋涡旋。
[0006]本专利技术提供的一种SAR图像海洋涡旋检测方法，包括：
[0007]步骤1、将SAR单视复图像分成多个子图像块；
[0008]步骤2、估计子图像块的多普勒中心频率作为多普勒中心频率的观测值；
[0009]步骤3、基于卫星轨道参数和天线指向参数计算子图像块的多普勒中心频率的预测值；
[0010]步骤4、子图像块的观测值与预测值的差值即为子图像块的多普勒中心异常值，将所述多普勒中心异常值转换为海表面多普勒速度；
[0011]步骤5、计算海表面多普勒速度梯度形成海表面多普勒速度梯度矩阵，确定海表面多普勒速度梯度矩阵中元素绝对值的最大值为涡旋中心；
[0012]步骤6、根据涡旋中心邻域内海表面多普勒速度变化规律确定涡旋边缘，计算得到涡旋尺度。
[0013]进一步地，所述步骤1中将SAR单视复图像分成多个子图像块的过程为：将SAR单视复图像分别沿方位向和距离向平均分割得到M*N个子图像块，其中，M和N均为不小于3的正整数。
[0014]进一步地，所述步骤2中估计子图像块的多普勒中心频率作为多普勒中心频率的观测值的方式为：采用时域自相关的方法估计子图像块的多普勒中心频率的观测值。
[0015]进一步地，所述SAR单视复图像为采用RD、CS或Omega
‑
K算法处理得到。
[0016]本专利技术提供的一种SAR图像海洋涡旋检测系统，包括：
[0017]图像切分模块，用于将SAR单视复图像切分成M*N个子图像块；
[0018]观测值估计模块，用于估计子图像块的多普勒中心频率得到多普勒中心频率的观测值；
[0019]预测值计算模块，用于基于卫星轨道参数和天线指向参数计算子图像块的多普勒中心频率的预测值；
[0020]异常值计算模块，用于基于所述观测值估计模块输出的多普勒中心频率的观测值和所述预测值计算模块输出的多普勒中心频率的预测值，计算子图像块的多普勒中心异常值，再将多普勒中心异常值转换为海表面多普勒速度；
[0021]海洋涡旋检测模块，用于计算所述海表面多普勒速度梯度，确定海表面多普勒速度梯度矩阵中元素绝对值的最大值的点为涡旋中心；再根据涡旋中心及其邻域内海表面多普勒速度变化规律确定涡旋边缘计算涡旋尺度。
[0022]有益效果：
[0023]本专利技术从距离多普勒域出发，充分考虑了海洋涡旋的速度特征，以由SAR单视复图像分割形成的子图像作为分析对象，计算海表面多普勒速度梯度，从而确定涡旋中心和涡旋尺度，有效提高了基于SAR图像的海洋涡旋检测概率，同时降低了基于SAR图像的海洋涡旋误检概率，系统简单，方法可行。
附图说明
[0024]图1为本专利技术提供的一种SAR图像海洋涡旋检测方法的流程图。
[0025]图2为本专利技术提供的一种SAR图像海洋涡旋检测方法的详细流程图。
[0026]图3为采用本专利技术提供的一种SAR图像海洋涡旋检测方法选取的ENVISAT ASAR数据通过成像后的单视复图像。
[0027]图4(a)为采用本专利技术提供的一种SAR图像海洋涡旋检测方法得到的单视复图像分块多普勒中心异常图。
[0028]图4(b)为采用本专利技术提供的一种SAR图像海洋涡旋检测方法得到的单视复图像分块海表面多普勒速度图。
[0029]图5(a)为采用本专利技术提供的一种SAR图像海洋涡旋检测方法得到的在海表面多普勒速度图上的海洋涡旋中心及边缘检测结果图。
[0030]图5(b)为采用本专利技术提供的一种SAR图像海洋涡旋检测方法得到的映射在单视复图像上的海洋涡旋中心及边缘检测结果图。
[0031]图6(a)为采用本专利技术提供的一种SAR图像海洋涡旋检测方法得到的海洋涡旋中心及边缘检测结果图在谷歌地图上的投影。
[0032]图6(b)为采用本专利技术提供的一种SAR图像海洋涡旋检测方法得到的海洋涡旋检测结果的验证图。
具体实施方式
[0033]下面结合附图并举实施例，对本专利技术进行详细描述。
[0034]传统的SAR图像海洋涡旋检测方法通常仅仅基于SAR灰度图像进行处理。SAR图像的灰度主要取决于海面散射强度，而改变海面散射强度的机理主要是海面流“辐聚辐散”所导致的Bragg波增强或者削弱，这种“辐聚辐散”效应主要取决于海面流场的散度。然而，对于海洋涡旋来说，海面流场以旋度为主，散度非常弱，难以在SAR图像上形成显著的明暗纹理。
[0035]海洋涡旋在海洋中普遍存在，其巨大的动能会在海洋局部引起强烈的海水运动，其运动速度比洋流平均流速快几倍甚至一个数量级，而SAR回波相位中蕴含了丰富的目标运动信息，这是从SAR幅度图像中所难以获取的。海洋涡旋中心处巨大的速度梯度以及关于涡心两侧速度方向良好的对称性是涡旋的两大重要特征，立足于SAR海面单视复图像数据，同时利用SAR回波相位信息，提取以上两大特征，从而实现对幅度图中不可见海洋涡旋中心和涡旋边缘的检测，将回波数据检测结果与幅度检测结果互为补充，以提取更为丰富的涡旋信息，实现对涡旋更准确地检测。基于上述本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种SAR图像海洋涡旋检测方法，其特征在于，包括：步骤1、将SAR单视复图像分成多个子图像块；步骤2、估计子图像块的多普勒中心频率作为多普勒中心频率的观测值；步骤3、基于卫星轨道参数和天线指向参数计算子图像块的多普勒中心频率的预测值；步骤4、子图像块的观测值与预测值的差值即为子图像块的多普勒中心异常值，将所述多普勒中心异常值转换为海表面多普勒速度；步骤5、计算海表面多普勒速度梯度形成海表面多普勒速度梯度矩阵，确定海表面多普勒速度梯度矩阵中元素绝对值的最大值为涡旋中心；步骤6、根据涡旋中心邻域内海表面多普勒速度变化规律确定涡旋边缘，计算得到涡旋尺度。2.根据权利要求1所述的一种SAR图像海洋涡旋检测方法，其特征在于，所述步骤1中将SAR单视复图像分成多个子图像块的过程为：将SAR单视复图像分别沿方位向和距离向平均分割得到M*N个子图像块，其中，M和N均为不小于3的正整数。3.根据权利要求1所述的一种SAR图像海洋涡旋检测方法，其特征在于，所述步骤2中估计子图像块的多普勒中心频率作为多普勒中心频率的...

【专利技术属性】
技术研发人员：种劲松，孙凯，赵亚威，杨雪，刁立杰，
申请(专利权)人：中国科学院空天信息创新研究院，
类型：发明
国别省市：