基于D-MVMD的相干雷达海浪参数反演方法及设备

本发明涉及微波雷达海洋遥感与海浪参数反演，是计算机视觉技术在雷达海洋遥感场景的应用，具体涉及一种基于去混叠多变量变分模态分解（d-mvmd）的相干雷达海浪参数反演方法，适用于s波段、c波段、x波段等微波相干雷达体制。

背景技术：

1、微波相干雷达通过海面回波多普勒频移获得海面散射体沿雷达视线方向的速度。根据有限水深线性波理论，满足一阶自由重力波色散关系的径向轨道速度可以通过线性传递函数转换为海面位移谱，进一步由谱矩获得有效波高和平均波周期。

2、实际径向速度通常包含一阶自由重力波轨道速度、径向海流、二阶束缚波、破碎波相关群线、高频残余和局地异常散射。径向海流使色散能量发生多普勒频移；二阶束缚波和破碎波相关群线不满足一阶自由重力波传递函数；高频区域既可能包含一阶自由重力波的高频拖尾，也可能包含噪声和异常散射。若不区分上述物理成分，并直接使用同一速度信号反演有效波高和平均波周期，容易造成谱能量和谱频率结构偏差。

3、现有基于模态分解的海浪反演方法通常依据模态中心频率、频带位置或分解次序对物理成分进行筛选，主要用于提取一阶自由重力波结构，或抑制低频群线等非波成分。对于海面回波中一阶自由重力波、二阶束缚波、破碎波相关群线和高频残余等多类成分共存的情形，现有筛选方式缺乏统一的物理判别依据；当不同物理成分的频率相近或局部频带发生交叠时，单一模态可能同时包含多种物理成分，导致模态混叠，难以实现可靠的模态类型统一识别。此外，有效波高主要反映波谱总能量，平均波周期由波谱能量在频率上的分布确定。若对二者采用完全相同的模态重构结果，难以同时兼顾能量恢复和频率结构保持。因此，需要一种能够降低模态混叠、在含流物理谱域中识别模态类型，并针对有效波高和平均波周期实施差异化重构的海浪参数反演方法。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是： 针对微波相干雷达多距离元径向速度信号中近频物理成分易发生模态混叠、现有模态筛选难以兼顾海流引起的色散频移与多类物理成分的谱域特征，以及有效波高和平均波周期对重构波谱的能量与频率分布要求不同的问题，提供一种基于模态去相关约束、含流物理谱域识别和差异化重构的海浪参数反演方法。

2、本发明的上述技术问题主要是通过以下技术方案得以解决：

3、一种基于d-mvmd的相干雷达海浪参数反演方法，对多波束、多距离元海洋回波估计原始径向速度并完成含流预处理；将同一波束内多个有效距离元的含流预处理径向速度组成多变量信号，在多变量变分模态分解中引入模态去相关约束形成d-mvmd，通过候选参数综合评分获得最优分解参数后执行d-mvmd得到径向速度的子模态；依据含流径向波数-频率谱中一阶自由重力波、二阶束缚波、破碎波相关群线和高频区域的能量特征识别子模态并提取一阶高频拖尾；分别构建用于平均波周期和有效波高反演的径向轨道速度；逐距离元采用含流、距离相关传递函数获得海面位移谱，经质量加权融合后计算有效波高和平均波周期。

4、另一方面，本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上所述基于d-mvmd的相干雷达海浪参数反演方法。

5、本发明可减小模态混叠、非一阶自由重力波成分、海流频移、观测几何差异和局地异常散射的影响，提高有效波高和平均波周期的反演精度。和现有技术相比，具有以下效果：

6、1.将同一波束多个距离元径向速度作为多变量信号，并使同一子模态共享中心频率，可保持相同时间尺度物理成分在不同距离元之间的模态对齐。

7、2.在模态带宽和重构一致性约束之外增加模态与剩余信号的去相关约束，并采用投影乘子更新，可降低相近频率物理成分之间的模态耦合，减小模态混叠。

8、3.通过含流一阶自由重力波、二阶束缚波、破碎波相关群线和高频区域的区域平均谱能量识别子模态，并在高频模态中提取一阶高频拖尾，可避免仅按中心频率或模态顺序筛选造成的重构误差。

9、4.对平均波周期和有效波高采用不同的径向轨道速度重构路径，使周期路径保留一阶自由重力波频率结构，使波高路径利用已识别破碎波相关群线和二阶束缚波模态能量进行幅值校正，从而提高海浪参数反演精度。

1.一种基于d-mvmd的相干雷达海浪参数反演方法，所述d-mvmd为去混叠变分模态分解，其特征在于：对多波束、多距离元海洋回波估计原始径向速度并完成含流预处理；将同一波束内多个有效距离元的含流预处理径向速度组成多变量信号，在多变量变分模态分解中引入模态去相关约束形成d-mvmd，通过候选参数综合评分获得最优分解参数后执行d-mvmd得到含流预处理径向速度的子模态；依据含流径向波数-频率谱中一阶自由重力波、二阶束缚波、破碎波相关群线和高频区域的能量特征识别子模态并提取一阶高频拖尾；分别构建用于平均波周期和有效波高反演的径向轨道速度；逐距离元采用含流、距离相关传递函数获得海面位移谱，经质量加权融合后计算有效波高和平均波周期。

2.根据权利要求1所述的基于d-mvmd的相干雷达海浪参数反演方法，其特征在于：所述含流预处理包括对各方位波束、各距离元的多普勒功率谱计算频谱能量重心获得多普勒中心频率，依据雷达电磁波波长与多普勒中心频率之间的比例关系得到原始径向速度；估计各方位波束的径向海流；所述含流预处理径向速度等于所述原始径向速度减去当前处理窗内的时间平均分量再加上所述径向海流。

3.根据权利要求1所述的基于d-mvmd的相干雷达海浪参数反演方法，其特征在于：将同一方位波束内多个有效距离元的含流预处理径向速度分别作为一个变量通道构成所述多变量信号；执行d-mvmd时，使同一子模态在各有效距离元之间共享中心频率，幅值和相位允许随距离元变化，由全部子模态之和重构所述多变量信号；每次子模态更新后重新计算各子模态与剩余信号的集合相关系数及跨距离元平均值，并对各距离元的所述集合相关系数施加不超过预设上限的约束，所述预设上限即为所述模态去相关约束的阈值。

4.根据权利要求1所述的基于d-mvmd的相干雷达海浪参数反演方法，其特征在于：针对候选模态数和候选带宽惩罚参数执行所述d-mvmd后，根据归一化重构误差、归一化模态能量熵和平均模态相关性确定综合评分，选择所述综合评分最大的模态数与带宽惩罚参数作为当前方位波束的最优分解参数。

5.根据权利要求1所述的基于d-mvmd的相干雷达海浪参数反演方法，其特征在于：对各所述去混叠子模态构建径向波数-频率谱，利用所述径向海流引起的频移将观测角频率转换为本征角频率；所述一阶自由重力波色散区域依据有限水深线性重力波色散关系确定，所述二阶束缚波色散区域依据有限水深二阶束缚波色散关系确定；所述破碎波相关群线区域在预设低频范围内依据群线频率和预设频率容差确定；所述高频区域为海流修正本征角频率不低于预设高频阈值的区域；依据各区域内的平均谱能量确定各所述去混叠子模态的物理类型。

6.根据权利要求5所述的基于d-mvmd的相干雷达海浪参数反演方法，其特征在于：从高频子模态中提取一阶高频拖尾分量时，计算高频子模态在一阶自由重力波高频拖尾区域内的谱能量占其在整个高频区域内谱能量的比例；当所述比例大于预设阈值时，仅保留该高频子模态在所述一阶自由重力波高频拖尾区域内的谱系数并逆变换得到所述一阶高频拖尾分量；当所述比例不大于所述预设阈值时，将对应高频子模态作为高频残余不参与径向轨道速度重构；所述一阶自由重力波高频拖尾区域为所述一阶自由重力波色散区域与所述高频区域的交集。

7.根据权利要求1所述的基于d-mvmd的相干雷达海浪参数反演方法，其特征在于：将一阶自由重力波子模态与所述一阶高频拖尾分量重构为用于平均波周期反演的第一径向轨道速度；将破碎波相关群线子模态和二阶束缚波子模态作为能量校正信息而不直接输入一阶自由重力波传递函数，对所述第一径向轨道速度进行能量等效幅值校正，得到用于有效波高反演的第二径向轨道速度。

8.根据权利要求7所述的基于d-mvmd的相干雷达海浪参数反演方法，其特征在于：对所述第一径向轨道速度和所述第二径向轨道速度分别逐距离元采用包含径向海流、有限水深和距离相关入射角的传递函数转换为海面位移谱。

9.根据权利要求8所述的基于d-mvmd的相干雷达海浪参数反演方法，其特征在于：对各距离元所述海面位移谱依据谱能量偏差、谱形相关性和谱重心偏差确定质量权重，在波高反演路径和周期反演路径中分别以所述质量权重对多距离元海面位移谱进行加权融合；对多方位波束的融合波谱进行方位积分获得波高谱；利用波高反演路径对应的波高谱的零阶谱矩估计所述有效波高，利用周期反演路径对应的波高谱的零阶谱矩与一阶谱矩之比估计所述平均波周期。

10.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于：所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至9中任一项所述基于d-mvmd的相干雷达海浪参数反演方法。