SAR海面仿真方法及装置与流程

本申请涉及合成孔径雷达(sar：syntheticapertureradar)技术领域，尤其涉及sar海面仿真方法及装置。

背景技术：

上升流是指海水由深层向海表浅层垂直运动的一种海洋现象，一般认为风的驱动是上升流发生的动力来源。上升流的存在能够将深水区丰富的营养盐带到海表浅层，从而促进浮游生物的光合作用。因此，通常情况下，上升流海区具有较高的初级生产力，较高的初级生产力往往能促成渔场的形成，南美洲的秘鲁渔场及中国舟山渔场均处于上升流海区。研究表明，仅占海洋面积5％的五个主要上升流渔场提供了全球25％的渔获量。上升流通过营养盐的输运，不仅能够形成渔场，对全球碳循环也存在重要意义，并且通过多种方式影响海洋的营养物质、热量以及污染物等的交换，对海洋运动也产生了深远的影响，与此同时，也影响着人类活动。

合成孔径雷达是一种主动式微波成像雷达，通过测量和处理海面的后向散射信号，获得海面的后向散射强度图像，换而言之，sar能够探测海面的粗糙度并成像。由于sar具有高空间分辨率、全天时、全天候的特点，即使在恶劣条件下，sar图像也能够包含详细的海面空间信息，能够弥补可见光和红外传感器等其他传感器的不足。然而，基于sar单一提取海面风场或海浪信息的方法实现sar海面仿真，仍然存在sar海面仿真结果准确性较差的问题，无法满足人们对海面仿真有效性的需求。

技术实现要素：

本申请实施例提出了sar海面仿真方法及装置，以解决现有sar海面仿真结果准确性较差的技术问题。

在一个方面，本申请实施例提供了sar海面仿真方法，其特征在于，包括：

根据海表粗糙度，利用雷达成像模型得到海表高频微尺度波的波谱；

根据海表高频微尺度波的波谱，利用能量控制方程得到高频微尺度波的波谱解；

基于上升流的海表温度函数，对高频微尺度波的波谱解进行海洋锋面仿真，得到sar海面仿真。

在另一个方面，本申请实施例提供了sar海面仿真装置，其特征在于，包括：

波谱模块，用于根据海表粗糙度，利用雷达成像模型得到海表高频微尺度波的波谱；

波谱解模块，用于根据海表高频微尺度波的波谱，利用能量控制方程得到高频微尺度波的波谱解；

仿真模块，用于基于上升流的海表温度函数，对高频微尺度波的波谱解进行海洋锋面仿真，得到sar海面仿真。

优选地，所述波谱模块包括：

通过量化海表粗糙度，获得雷达信号的归一化后向散射截面强度，所述海表粗糙度包括大尺度波倾斜造成的均方斜率、波浪破碎，以及布拉格波；

归一化后向散射截面强度的计算公式为，

其中，代表布拉格波散射，代表由均方斜率构成的雷达信号的镜面反射，代表大尺度波的波浪破碎。

优选地，所述波谱解模块包括：

高频微尺度波的波谱具有能量平衡状态，能量控制方程为，

高频微尺度波的波谱解计算公式为，

优选地，所述仿真模块包括：

根据上升流的海表温度函数，利用拖曳系数确定海表风摩擦速度；

根据海表风摩擦速度，计算出所述海表温度函数对应的风应力值；

在sar对海面的观测角在20°～70°时，根据所述风应力值，对高频微尺度波的波谱解进行布拉格仿真，得到后向散射截面强度；

其中，海表温度函数为，

t(x)＝1x<w1

t(x)＝t+k1xw1<x<w2

t(x)＝2x>w2。

优选地，所述对高频微尺度波的波谱解进行布拉格仿真，得到后向散射截面强度的步骤包括：

当波长λb＝λr/2sinθ时，该波长λb的微尺度波为布拉格波，利用布拉格共振散射机制计算后向散射截面强度，计算公式为，

其中，kr＝2π/λr，kb＝2π/λb分别为雷达波波数和布拉格波波数；gpp为极化函数，ψ为微尺度波波谱。

优选地，还包括：

一维仿真模块，用于在sar对海面的观测角在20°～70°时，根据基于上升流的海表温度函数和流场函数，对高频微尺度波的波谱解进行海洋锋面仿真，得到一维sar海面仿真；

其中，海表温度函数为，

t(x)＝1x＜w1

t(x)＝t+k2xw1＜x＜w2

t(x)＝2x＞w2

所述流场函数为，

u(x)＝2x＜w1

u(x)＝uc+k1xw1＜x＜w2

u(x)＝4x＞w2。

优选地，还包括：

二维仿真模块，用于在sar对海面的观测角在20°-70°，风向为100°时，根据基于上升流的海表温度函数和流场函数，对高频微尺度波的波谱解进行海洋锋面仿真，得到二维sar海面仿真。

有益效果如下：

本申请实施例所提供的sar海面仿真方法及装置，根据海表粗糙度，利用雷达成像模型得到海表高频微尺度波的波谱，根据海表高频微尺度波的波谱，利用能量控制方程得到高频微尺度波的波谱解，基于上升流的海表温度函数，对高频微尺度波的波谱解进行海洋锋面仿真，得到sar海面仿真，以解决现有存在的sar海面仿真结果准确性较差的技术问题，从而满足人们对海面仿真有效性的需求。

附图说明

下面将参照附图描述本申请的具体实施例，其中：

图1示出了本申请实施例一中sar海面仿真的方法原理图；

图2示出了本申请实施例一中sar海面仿真的方法流程图；

图3示出了本申请实施例一中sar海面仿真的雷达成像模型原理假设示意图；

图4示出了本申请实施例二中sar海面仿真的sst变化分布示意图；

图5示出了本申请实施例二中sar海面仿真的sst引起的nrcs变化仿真结果示意图；

图6示出了本申请实施例二中sar海面仿真的流场及sst变化分布示意图；

图7示出了本申请实施例二中sar海面仿真的流场及sst变化引起的上升流一维仿真结果示意图；

图8示出了本申请实施例二中sar海面仿真的流场及sst变化引起的上升流二维仿真结果示意图；

图9示出了本申请实施例三中sar海面仿真的装置结构图。

具体实施方式

为了使本申请的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。并且在不冲突的情况下，本说明中的实施例及实施例中的特征可以互相结合。

在上升流的形成过程中，海水由深层向海表浅层运动，海表温度(sst：seasurfacetemperature)会随该过程形成一个温度变化，海表流场也会发生变化，伴随剧烈的海气运动，物理参数以及相应的化学生物参数也会发生变化，其中温度变化和海表流场改变是上升流的形成过程中两个比较重要的影响方面。

sar利用散射信号的多普勒频移获得相对较高的方位分辨率，同时通过发射微波脉冲得到较高的距离分辨率，并通过搭载在飞机或者卫星上以实现对海表面的高精度监测。根据布拉格散射机制，在中等入射角情况下，也就是当星载sar对海洋的观测角范围为20°～70°时，一般采用bragg共振散射理论，bragg共振散射是指将粗糙海表面看作许多平面波线性叠加。此外，电磁波散射也是一个线性过程，在远离海表面的情形下，粗糙海表面各不同波分量相干叠加，增强了一定尺度的周期性结构散射，同时，削弱其他周期性结构散射，如同衍射光栅一样。同时，结合海表流场对sar成像的影响，采用雷达成像模型，进一步探究上升流的过程。

本申请利用sar接收到的信号依赖于表面应力和表面粗糙度的关系，结合海表面温度对海表空气密度、海水密度以及海水的粘性系数等的影响，通过sst来改变厘米尺度波的成长速度。具体地，将sst引入到雷达成像模型中，对上升流过程进行仿真，通过对上升流过程与海表粗糙度两者之间的影响因素，分析波流相互作用，即海表流场对上升流的影响，再通过结合海表流场，分析海表流场对上升流过程中sar海浪成像的影响，以探究上升流在sar成像中的机理。

为了便于本申请的实施，下面以实例进行说明。

实施例一、

图1示出了本申请实施例一中sar海面仿真的方法原理图，如图1所示，包括：

步骤101：根据海表粗糙度，利用雷达成像模型得到海表高频微尺度波的波谱。

步骤102：根据海表高频微尺度波的波谱，利用能量控制方程得到高频微尺度波的波谱解。

步骤103：基于上升流的海表温度函数，对高频微尺度波的波谱解进行海洋锋面仿真，得到sar海面仿真。

进一步地，所述根据海表粗糙度，利用雷达成像模型得到海表高频微尺度波的波谱的步骤包括：

通过量化海表粗糙度，获得雷达信号的归一化后向散射截面强度，所述海表粗糙度包括大尺度波倾斜造成的均方斜率、波浪破碎，以及布拉格波；

归一化后向散射截面强度的计算公式为，

其中，代表布拉格波散射，代表由均方斜率构成的雷达信号的镜面反射，代表大尺度波的波浪破碎。

进一步地，所述根据海表高频微尺度波的波谱，利用能量控制方程得到高频微尺度波的波谱解的步骤包括：

高频微尺度波的波谱具有能量平衡状态，能量控制方程为，

高频微尺度波的波谱解计算公式为，

进一步地，所述根据基于上升流的海表温度函数，对高频微尺度波的波谱解进行海洋锋面仿真，得到sar海面仿真的步骤包括：

根据上升流的海表温度函数，利用拖曳系数确定海表风摩擦速度；

根据海表风摩擦速度，计算出所述海表温度函数对应的风应力值；

在sar对海面的观测角在20°～70°时，根据所述风应力值，对高频微尺度波的波谱解进行布拉格仿真，得到后向散射截面强度；

其中，海表温度函数为，

t(x)＝1x<w1

t(x)＝t+k1xw1<x<w2

t(x)＝2x>w2。

进一步地，所述对高频微尺度波的波谱解进行布拉格仿真，得到后向散射截面强度的步骤包括：

当波长λb＝λr/2sinθ时，该波长λb的微尺度波为布拉格波，利用布拉格共振散射机制计算后向散射截面强度，计算公式为，

其中，kr＝2π/λr，kb＝2π/λb分别为雷达波波数和布拉格波波数；gpp为极化函数，ψ为微尺度波波谱。

进一步地，还包括：

在sar对海面的观测角在20°～70°时，根据基于上升流的海表温度函数和流场函数，对高频微尺度波的波谱解进行海洋锋面仿真，得到一维sar海面仿真；

其中，海表温度函数为，

t(x)＝1x＜w1

t(x)＝t+k2xw1＜x＜w2

t(x)＝2x＞w2

所述流场函数为，

u(x)＝2x＜w1

u(x)＝uc+k1xw1＜x＜w2

u(x)＝4x＞w2。

进一步地，还包括：

在sar对海面的观测角在20°～70°，风向为100°时，根据基于上升流的海表温度函数和流场函数，对高频微尺度波的波谱解进行海洋锋面仿真，得到二维sar海面仿真。

本申请基于sst和海表流场在上升流过程中的影响，利用雷达成像模型结合sar海面散射模型，分析上升流在sar成像中的机理，图2示出了本申请实施例一中sar海面仿真的方法流程图，如图2所示，具体方法如下：

步骤201：利用雷达成像模型，分析海表波浪对雷达成像过程的影响。

图3示出了本申请实施例一中sar海面仿真的雷达成像模型原理假设示意图，如图3所示，雷达成像模型是基于以下假设与原则进行的，影响海表粗糙度的主要因素包括海表流场分布，海表面附近风场以及海表面的活性物质，以上三者共同决定着海洋表面的粗糙度，将粗糙度分割成大尺度的波浪和小尺度的布拉格波。其中，在大尺度的波浪中，海面均方斜率主要构成对雷达信号的镜面反射(sp)，同时也通过短波的倾斜对布拉格波bragg(br)散射产生一定的影响，同时，大尺度波浪的波浪破碎(wb)也会改变海表的粗糙度并生成小尺度的布拉格波，以上因素均影响雷达的后向散射截面强度，可见，通过对上述参数的量化，能够近似获得雷达的后向散射截面强度。

海表粗糙度由大尺度波浪倾斜造成的均方斜率(mss)以及波浪破碎(wb)和小尺度bragg波(br)组成，以上三者构成归一化雷达后向散射截面(nrcs：normalizedradar-backscattercrosssection)：

其中，代表布拉格波散射，代表镜面反射，代表波浪破碎，对雷达信号散射造成的影响。在雷达入射角范围内，一般镜面反射部分微弱，可以忽略；由于波浪破碎可以在局部地区形成一个较强的散射信号，对于h极化的雷达信号而言，虽然波浪破碎所占的比重不多，但难以直接忽略；此外，厘米尺度的bragg波可以由长波(如，分米波或者更长)的波浪破碎生成得到，一般也难以直接忽略。

步骤202：根据能量控制方程，在波浪谱s(k)平衡范围内，将上述假设简化为以下方程：

其中，(2)式第一项表示风应力和粘性耗散，第二项表示非线性耗散，第三项表示由于波浪破碎造成的能量输入。在(2)式中，风浪饱和谱α和n均是经验参数，成长速度β是风的成长速度βw和粘性耗散βv两者之差。粘性耗散βv由(3)式计算得到：

βv＝4vk²/ω(3)

风的成长速度βw由(4)式计算得到：

其中，是风向与波浪方向的夹角，k是波数，u*是摩擦风速，uπ/k是在高处z＝π/k时的风速，c＝ω/k为相速度。波浪频率ω＝(gk+γk³)^0.5，sst通过对海水表面张力γ的改变以影响波浪频率ω。

厘米尺度的风浪在海表数厘米处通过海气之间的相互作用生成，海表附近的海水温度与空气温度较为接近，空气温度ta对于(4)式中的影响主要体现在ρa，而海水温度tw对于(3)式中的影响集中于海水粘性系数v上。此外，摩擦风速u*可通过拖曳系数cd计算得到：

u*²＝cdu²(5)

其中，u为海面风速，u*用于反映海气之间的动量交换。拖曳系数cd采用风速w和大气海洋温差(ta-tw)的函数关系获得，通过多项式近似表示如下，

cd＝α1+α2u+α3(ta-tw)+α4u²+α5(ta-tw)²+α6u(ta-tw)(6)

具体的拖曳系数cd表达式如下：

cd＝0.934×10^-3+0.788×10^-4u+0.868×10^-4δt-0.616×10^-6u²

-0.12×10^-5δt²-0.214×10^-5uδt(7)

其中，δt＝ta-tw，单位为℃。

步骤203：在通过雷达成像模型获得波谱后，将波谱解代入bragg仿真模型中。

步骤204：在海面上，不同尺度的周期性结构由不同波长的微尺度波组成，对于波长为kr，入射角为θ的雷达波，波峰线与雷达视线垂直的特定波长λb的微尺度波发生bragg共振散射。当波长λb＝λr/2sinθ时，该波长λb的微尺度波即为bragg波，由bragg共振散射理论获得的nrcs如下所示：

其中，kr＝2π/λr，kb＝2π/λb分别是雷达波波数和bragg波波数；gpp是极化函数，εr是海水复介电常数；下标hh和vv分别代表发生和接收信号的极化方式，ψ是二维微尺度波波谱。

实施例二、

图4示出了本申请实施例二中sar海面仿真的sst变化分布示意图；，如图4所示，利用一维海洋锋面仿真以验证仿真模型的可行性，即采用一维sst进行仿真实验，海水温度、大气温度、风速均为定常条件，只有上升流引起的海水温度为变量t(x)，一维sst函数为：

t(x)＝1x<w1

t(x)＝t+k1xw1<x<w2

t(x)＝2x>w2

图5示出了本申请实施例二中sar海面仿真的sst引起的nrcs变化仿真结果示意图，如图5所示，通过仿真c-band条件下的锋面情况，波数入射角采用中等入射角(θ＝30°)，将上述条件代入到仿真模型中，得到一维仿真结果为，锋面与sst变化较为吻合，能够反映出在上升流过程中，海表温度对sar成像产生的影响。

基于上升流过程中sst形成的nrcs变化范围，将sst影响因子和流场加入到控制方程中。一般认为，海面高频微尺度波的波谱具有能量平衡状态，能量控制方程如下：

其中，ψ(k)为微尺度波波谱，对应散射模型中的微尺度波波谱，cg为波群速度，方程左侧代表微尺度波波谱随时间的变化，右侧对应各能量的输入，具体包括：风输入源函数sin(k)，非线性波相互作用源函数snl(k)，由于分子粘性作用和海浪破碎引起的耗散源函数sds(k)，波流相互作用源函数scu(k)，在海洋高频波谱传播中，各输入平衡，则：

sin(k)+snl(k)+sds(k)+scu(k)＝0(12)

各输入源对应的表达式如下：风输入源函数的谱形式：式中，m＝0.04；毛细-重力波段的源函数：snl(k)＝-m3k^-4ωb²(k)，和毛细波段的源函数：snl(k)＝-m4k^-4ωb²(k)，式中m3和m4分别为无量纲常数；分子粘性力耗散源函数：sds(k)＝-4γk²ψ(k)，加入耗散源函数得到：sbk(k)＝-36ωk¹⁰ψ(k)^3.5；由于波流相互作用源函数理论解过于复杂，采用0阶近似数值形式：

其中，u和v为大尺度背景流场(流，海洋锋，内波，地形)的速度分量，为微尺度波的传播波向，即为由于海面风诱发的微尺度波的传播方向，认为与风向平行。

结合上述分析，在c波段发生共振的海表微尺度波的波谱解形式如下，

加入sst影响因子进行分析，sst通过影响拖曳系数，改变海面风摩擦速度的大小，结合(5)式，对海温tw进行求导，获得sst对应的风应力影响因子：1/2d(lncd)/d(tw)，将影响因子代入波谱解，并仅考虑c波段vv极化中等入射角条件下的仿真，可得：

图6示出了本申请实施例二中sar海面仿真的流场及sst变化分布示意图，如图6所示，采用一维流场与sst进行仿真实验，假定大气温度、海表面温度和风速均为定常(u＝15m/s，ta＝5℃，tw＝15℃)，变量只有流场u(x)，v(x)与流场伴生的海面水温异常t(x)。一维流场函数为：

u(x)＝2x＜w1

u(x)＝uc+k1xw1＜x＜w2

u(x)＝4x＞w2

同样的，一维sst函数为：

t(x)＝1x＜w1

t(x)＝t+k2xw1＜x＜w2

t(x)＝2x＞w2

图7示出了本申请实施例二中sar海面仿真的流场及sst变化引起的上升流一维仿真结果示意图，如图7所示，通过仿真c-band条件下的锋面状况，即考虑bragg仿真模型的使用范围，并采用典型的中等入射角(θ＝30°)代入海洋锋面的仿真模型，得到一维仿真结果为，锋面与流速梯度吻合性较好，能够得到明显的锋面边缘与锋面内部的变化趋势。

图8示出了本申请实施例二中sar海面仿真的流场及sst变化引起的上升流二维仿真结果示意图，如图8所示，采用海洋锋仿真模型对二维海面仿真，假定条件(风向＝100°，入射角θ＝30°)，二维海洋锋面仿真结果为，nrcs整体由风速控制，即nrcs的总体变化趋势由风速梯度控制，流速梯度控制nrcs的局部变化趋势。

基于同一发明构思，本申请实施例中还提供了一种sar海面仿真装置，由于这些设备解决问题的原理与一种sar海面仿真方法相似，因此这些设备的实施可以参见方法的实施，重复之处不再赘述。

实施例三、

图9示出了本申请实施例三中sar海面仿真的装置结构图，如图9所示，装置可以包括：

波谱模块901，用于根据海表粗糙度，利用雷达成像模型得到海表高频微尺度波的波谱。

波谱解模块902，用于根据海表高频微尺度波的波谱，利用能量控制方程得到高频微尺度波的波谱解。

仿真模块903，用于基于上升流的海表温度函数，对高频微尺度波的波谱解进行海洋锋面仿真，得到sar海面仿真。

进一步地，所述波谱模块901包括：

通过量化海表粗糙度，获得雷达信号的归一化后向散射截面强度，所述海表粗糙度包括大尺度波倾斜造成的均方斜率、波浪破碎，以及布拉格波；

归一化后向散射截面强度的计算公式为，

其中，代表布拉格波散射，代表由均方斜率构成的雷达信号的镜面反射，代表大尺度波的波浪破碎。

进一步地，所述波谱解模块902包括：

高频微尺度波的波谱具有能量平衡状态，能量控制方程为，

高频微尺度波的波谱解计算公式为，

进一步地，所述仿真模块903包括：

根据上升流的海表温度函数，利用拖曳系数确定海表风摩擦速度；

根据海表风摩擦速度，计算出所述海表温度函数对应的风应力值；

在sar对海面的观测角在20°～70°时，根据所述风应力值，对高频微尺度波的波谱解进行布拉格仿真，得到后向散射截面强度；

其中，海表温度函数为，

t(x)＝1x<w1

t(x)＝t+k1xw1<x<w2

t(x)＝2x>w2。

进一步地，，所述对高频微尺度波的波谱解进行布拉格仿真，得到后向散射截面强度的步骤包括：

当波长λb＝λr/2sinθ时，该波长λb的微尺度波为布拉格波，利用布拉格共振散射机制计算后向散射截面强度，计算公式为，

其中，kr＝2π/λr，kb＝2π/λb分别为雷达波波数和布拉格波波数；gpp为极化函数，ψ为微尺度波波谱。

进一步地，还包括：

一维仿真模块904，用于在sar对海面的观测角在20°～70°时，根据基于上升流的海表温度函数和流场函数，对高频微尺度波的波谱解进行海洋锋面仿真，得到一维sar海面仿真；

其中，海表温度函数为，

t(x)＝1x＜w1

t(x)＝t+k2xw1＜x＜w2

t(x)＝2x＞w2

所述流场函数为，

u(x)＝2x＜w1

u(x)＝uc+k1xw1＜x＜w2

u(x)＝4x＞w2。

进一步地，还包括：

二维仿真模块905，用于在sar对海面的观测角在20°～70°，风向为100°时，根据基于上升流的海表温度函数和流场函数，对高频微尺度波的波谱解进行海洋锋面仿真，得到二维sar海面仿真。

上述实施例中，均可以采用现有的功能元器件模块来实施。例如，处理模块可以采用现有的数据处理元器件，至少，现有定位技术中采用的定位服务器上便具备实现该功能元器件；至于接收模块，则是任意一个具备信号传输功能的设备都具备的元器件；同时，处理模块进行的a、n参数计算、强度调整等采用的都是现有的技术手段，本领域技术人员经过相应的设计开发即可实现。

为了描述的方便，以上所述装置的各部分以功能分为各种模块或单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各模块或单元的功能在同一个或多个软件或硬件中实现。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。