一種海洋渦旋SAR圖像仿真方法

王宇航 楊 敏 種勁松(中國科學院電子學研究所 北京 100190)(微波成像技術國家重點實驗室 北京 100190)(中國科學院大學 北京 100190)

1 引言

海洋渦旋是一種旋轉的、以封閉環(huán)流為主要特征的水體，是由于各種氣象因素作用和海洋動力不穩(wěn)定性形成的。作為一種重要的海洋現(xiàn)象，渦旋不僅能夠影響海洋流場與化學物質的輸送，從而對海洋的環(huán)流結構和海洋生態(tài)等產(chǎn)生重要作用，還能通過海氣相互作用，對風場、云及降雨等大氣現(xiàn)象產(chǎn)生影響[1,2]。

合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar, SAR)具有全天時、全天候、高分辨率、廣覆蓋面等優(yōu)點，對海洋渦旋探測具有特殊意義，受到國際海洋遙感界的重視。然而，渦旋在SAR成像時會受到各種海洋環(huán)境因素的影響，通過真實SAR圖像難以完全解譯渦旋的特征。利用仿真SAR圖像可以為渦旋的SAR圖像特征解譯提供指導，但是目前利用SAR圖像對渦旋的研究主要集中在渦旋的統(tǒng)計性研究[3–5]、渦旋的形成機制和成像分類[6–8]以及渦旋的檢測和特征提取方面的研究[9–12]，極少有關于渦旋SAR圖像仿真方法的研究。

由于海面隨機運動且電磁散射特性復雜，難以進行時間和空間上的SAR原始回波仿真。海浪譜能夠描述隨機海面不同波長海浪的能量分布情況，因此利用海浪譜可以很好地描述不同海況下隨機海面的統(tǒng)計特征。海洋渦旋、內波、淺海地形、鋒面等都可看作是通過波流交互作用，即利用自身流場改變海浪譜分布，并經(jīng)過海面電磁散射模型，進而得以在SAR圖像上體現(xiàn)。目前SAR海面圖像仿真常用的電磁散射模型包括Kirchhoff散射模型、Bragg散射模型以及組合表面散射模型[13]。這些模型只考慮了1階Bragg散射，僅適用于低頻(小于L波段)SAR海面圖像仿真。1997年，Romeiser和Alpers[14,15]提出了改進的組合表面模型，該模型考慮了2階Bragg波散射的影響，從而使仿真的SAR海面圖像更接近實際情況。2002年，Romeiser[16]利用該模型研究了淺海地形在SAR圖像上的特征，并與聲學多普勒流速剖面儀測量的淺海地形進行對比，驗證了該模型用于SAR海面圖像仿真的合理性；2011年，歐陽越等[17]利用該模型仿真了不同雷達參數(shù)下海洋內波圖像，并同實際內波SAR圖像進行對比，發(fā)現(xiàn)二者具有較高的一致性。但是目前，利用海面電磁散射模型對海洋渦旋SAR圖像仿真的研究尚未見報道。

多尺度分析是小波變換的主要特點，可在頻率域將圖像分解為低頻部分和高頻部分。在低頻部分，分解的小波系數(shù)數(shù)目較少但幅值較大，主要對應圖像的有用信息。高頻部分所對應的小波系數(shù)數(shù)目較多但幅值相對較小，主要對應于圖像的噪聲信息。圖像小波去噪就是判斷分解后小波系數(shù)幅值的大小，設定一個合理的閾值對小波系數(shù)進行判斷從而達到去除圖像噪聲的目的。

在對高中數(shù)學習題進行變式的過程中，一定要注意將以前所學習到的知識和要變化的題目緊密的結合起來，這樣才能達到學習新知識的同時也能溫習舊知識的目的，從而讓學生能夠一邊學習一邊回憶，以提高自身學習的效率.

為此，本文提出了一種海洋渦旋SAR圖像仿真方法，利用流體力學中典型的Burgers-Rott渦旋模型，建立渦旋的2維流場。利用SAR海洋成像仿真模型，仿真渦旋SAR圖像。基于此方法，本文進行了氣旋式渦旋與反氣旋式渦旋SAR圖像仿真實驗，并將仿真SAR圖像與ERS-2 SAR圖像和ENVISAT-1 ASAR圖像進行對比，從而驗證該方法的有效性。

本文建立的渦旋SAR圖像仿真方法，是在給定2維渦旋流場和風場條件下，利用SAR海洋成像模型生成隨機海面的2維海浪譜，再根據(jù)2維海浪譜與SAR圖像之間的調制傳遞函數(shù)，生成仿真渦旋SAR圖像。

2 渦旋SAR圖像仿真方法

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另外，仿真的SAR圖像還需考慮噪聲的影響，本文渦旋SAR圖像仿真過程中，僅考慮熱噪聲對仿真SAR圖像信噪比的影響。信噪比由噪聲等效后向散射系數(shù)以及海面歸一化后向散射系數(shù)所決定：

渦旋SAR圖像仿真方法分為兩步，如圖1所示。首先，輸入渦旋流場參數(shù)，基于渦旋動力學模型建立渦旋2維流場(于2.1節(jié)介紹)。然后，將仿真的渦旋流場和海面風場輸入到SAR海洋成像仿真模型，通過設置SAR參數(shù)獲得仿真渦旋SAR圖像(于2.2節(jié)介紹)。

2.1 渦旋2維流場仿真

渦旋一般遵循流體力學的納維-斯托克斯(Navier-Stokes，簡寫N-S)方程，根據(jù)方程中黏性力項、慣性力項以及離心力項的平衡關系，可以建立不同的渦旋模型。常見的渦旋模型包括Rankine渦旋、Oseen渦旋、Sullivan渦旋以及Burgers-Rott渦旋[18–20]，其中，Rankine渦旋模型沒有考慮N-S方程中的黏性力項，流體以常角速度旋轉，沒有徑向速度，因而不能產(chǎn)生渦旋的輻散、輻聚和上升運動；Oseen渦旋模型僅考慮N-S方程中慣性力項的局地項及黏性力項，其軌道是一個圓形渦旋，不符合實際SAR圖像中渦旋的形態(tài)；Sullivan渦旋模型和Burgers-Rott渦旋模型考慮了N-S方程中全部的黏性力項、慣性力項及離心力項，但由于Sullivan渦旋模型的軌道是一個雙螺旋渦旋，Burgers-Rott渦旋模型的軌道是一個螺旋形渦旋，后者與真實SAR圖像所呈現(xiàn)的渦旋形狀更為接近，因此本文選用Burgers-Rott渦旋模型來建立海洋渦旋的流場。

圖1 渦旋SAR圖像仿真方法流程圖Fig.1 Flow chart of the simulation method of SAR eddy image

1）通過該改革的開發(fā)和研究，使學生能夠真正感受、理解工程實際設備及裝備的原理與工作過程，明確掌握機械制造工藝基本概念的真實含義，以提高學生學習專業(yè)課的興趣，深刻正確地理解與掌握課程內容，并為課程全面提高教學質量奠定基礎。

2.2 渦旋SAR圖像仿真

獲得了渦旋的流場之后，下一步將進行渦旋SAR圖像的仿真。本文使用SAR海洋成像仿真模型來仿真渦旋SAR圖像。SAR海洋成像仿真模型主要分為波流交互作用模型、雷達后向散射模型和SAR成像模型3個部分，如圖2所示。

為了進一步驗證仿真方法的正確性，定量地描述仿真SAR圖像與真實SAR圖像的中渦旋的相似程度，采用文獻[9]中基于對數(shù)螺旋線邊緣擬合的SAR圖像渦旋信息提取方法，提取仿真SAR圖像和真實SAR圖像中渦旋的中心位置、直徑及邊緣長度，并加以比較。擬合及提取結果如圖6所示，紅色加號表示渦旋中心位置，黃色箭頭表示渦旋直徑，藍色曲線表示渦旋邊緣，具體數(shù)值如表2所示。

圖2 SAR海洋成像仿真模型示意圖[22]Fig.2 Schematic diagram of oceanic SAR imagery simulation model[22]

其中， ± 表示遠離雷達方向和朝向雷達方向的兩組Bragg波分量， 〈fD±〉σ表示經(jīng)過歸一化后向散射系數(shù) σ加權的平均Doppler中心； γD±表示Doppler譜的方差。〈fD±〉σ和 γD±的具體計算過程可以參考文獻[25]，這里不再贅述。

Burgers-Rott渦旋模型是從N-S方程求得的一個渦旋解[19,20]，假定渦旋是定常和軸對稱的，渦旋速度場在柱坐標系下表示為

然后，將計算得到的海浪譜輸入到雷達后向散射模型，在給定雷達頻率、入射角、極化方式及雷達視向等雷達參數(shù)下，仿真渦旋SAR圖像后向散射強度。本文采用的雷達后向散射模型為改進的組合表面模型，是Romeiser和Alpers等在Bragg共振散射模型基礎上的改進[14,15]。該模型同時考慮了長波和中波對短波的傾斜調制和水動力調制，所以從理論和試驗研究上更能表現(xiàn)海面微波散射的實際情況，是目前最為完善的海面微波散射模型之一。該模型是基于2維海面坡度，通過傅里葉變換對后向散射截面進行泰勒級數(shù)展開，并對后向散射截面進行時間和空間上的平均。由于1階項平均后為0，因此得到2階Bragg散射后的海面歸一化后向散射系數(shù)為[14,22]

上述過程中，利用海浪譜與雷達后向散射模型得到仿真的海面歸一化后向散射系數(shù)，但這是一個實孔徑雷達成像過程，SAR圖像仿真還需考慮海面運動的影響。當目標存在沿雷達視線方向的徑向速度時，將在方位向上產(chǎn)生偏移 Δx：

這里采用Romeiser和Thompson[25]給出的雙高斯形Doppler譜模型計算Doppler譜中心和方差，該模型將海面回波Doppler譜分成朝向雷達和遠離雷達兩個傳播方向的Bragg波Doppler譜的疊加，每個Doppler譜分量為高斯形，其具體表達式為

其中， δQ表示調制引起的作用量譜變化量。

應構建長效性扶持機制，項目支持不只局限于前期建設階段，也應向中后期運行階段延伸。加大政策扶持力度，提高項目資金補助標準，補貼應盡可能彌補秸稈收儲人工和運輸成本，提高秸稈利用主體積極性。實行區(qū)別化補貼和獎勵標準，引導產(chǎn)業(yè)發(fā)展向技術含量高、附加值高的利用方向發(fā)展。拓寬政策扶持廣度，降低項目申報門檻，盡可能讓政策惠及每一個產(chǎn)業(yè)鏈主體，最大限度調動各方面積極性。政府部門需密切協(xié)作、形成合力，在財政、稅收、土地等各方面完善政策優(yōu)惠體系，通過完善利益鏈驅動產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，最終形成以政策為導向、企業(yè)為主體、農(nóng)民廣泛參與的秸稈綜合利用長效機制。

其中，海面歸一化后向散射系數(shù) 〈σ 〉由入射角、雷達頻率、極化方式、海面風速等參數(shù)所決定，NEσ0為噪聲等效后向散射系數(shù)，由系統(tǒng)硬件參數(shù)所決定。因此，SAR成像模型根據(jù)給定的仿真輸入?yún)?shù)計算信噪比，從而得到具有統(tǒng)計特性的仿真渦旋SAR圖像。

3 渦旋SAR圖像仿真實驗

根據(jù)渦旋旋轉方向的不同，可將渦旋分為氣旋式渦旋與反氣旋式渦旋[26]。氣旋式渦旋在北半球逆時針旋轉，在南半球順時針旋轉；反氣旋式渦旋在北半球順時針旋轉，在南半球逆時針旋轉。不同旋轉方向的渦旋將產(chǎn)生不同的渦旋流場，從而在SAR圖像中呈現(xiàn)不同的渦旋特征。下面，本文分別針對氣旋式渦旋與反氣旋式渦旋進行仿真實驗。

3.1 氣旋式渦旋仿真實驗

圖3是一幅ERS-2 SAR圖像，圖像獲取時間為2009.08.19, 02:23:50 UTC，獲取地點為中國東海海域。圖中方框1處為一個氣旋式渦旋，旋轉方向為逆時針。為了便于對比仿真SAR圖像與真實SAR圖像，將方框1處的渦旋截取出來，截取圖像尺寸為18 km×24 km，如圖4所示。ERS-2 SAR圖像的具體雷達參數(shù)如表1所示。

鋁土礦中w(CaO)≥10%，換算得到w(Ca)≥7.14%，試液中存在的鈣，如果不加以去除，易形成硫酸鈣沉淀，隨渣相排除[9-10]，導致測定結果偏低。實驗中加入20mL 100g/L碳酸銨溶液完全可以將試液中的鈣沉淀完全，說明碳酸銨可以有效地掩蔽鈣的干擾。

從歐洲中期天氣預報中心(Europe Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF)獲取2009.08.19, 03:00:00時刻的風場再分析資料，分辨率為0.125°×0.125°。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，渦旋區(qū)域附近的風速為1.4 m/s，風向為257.9°。從全球海洋數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)(Global Ocean Data Assimilation System, GODAS)獲取相同位置的5日平均流場再分析資料，分辨率為(1/3)°×1°。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，渦旋區(qū)域附近的流速為0.61 m/s。因此，設置參數(shù)為–0.003486，流場大小設置為18 km×24 km，空間分辨率為100 m，雷達參數(shù)設置為表1中ERS-2 SAR參數(shù)。

圖3 中國東海海域獲取的ERS-2 SAR圖像，獲取時間為2009.08.19, 02:23:50 UTCFig.3 ERS-2 SAR image of the East China Sea obtained on August 19, 2009 at 02:23:50 UTC

圖4 從方框1處截取的渦旋SAR圖像Fig.4 Enlargement of the eddy in Frame 1

表1 ERS-2 SAR參數(shù)Tab.1 SAR parameters of ERS-2

圖5(a)、圖5(b)分別是該渦旋的仿真SAR圖像與獲取的真實SAR圖像，仿真時設定的雷達參數(shù)、海面風場條件與真實SAR圖像獲取條件完全一致。對比圖5(a)、圖5(b)兩圖發(fā)現(xiàn)，仿真SAR圖像與真實SAR圖像中的渦旋臂形狀幾乎一致，渦旋臂的亮暗特征也基本吻合。從逆時針方向看，渦旋臂由外到內的亮暗特征均為亮-暗-亮，這種亮暗特征的變化是由雷達后向散射引起的布拉格波譜密度變化導致的[7]。這初步驗證了仿真方法的正確性。

首先，將仿真的渦旋2維流場和海面風場輸入到波流交互作用模型，通過求解作用量譜平衡方程，計算給定海面流場和海面風場下被調制的海浪譜。作用量譜平衡方程如式(3)所示[21]：

圖5 相同參數(shù)下仿真SAR圖像與ERS-2 SAR圖像對比圖Fig.5 Comparison of simulated SAR image and ERS-2 SAR image under the same parameters

對比仿真SAR圖像與真實SAR圖像的渦旋信息提取結果，可以發(fā)現(xiàn)兩幅圖像中渦旋的中心位置較為一致，方位向和距離向上僅相差3～4個像素點，渦旋直徑及邊緣長度的相對誤差均不超過0.011，證明本文提出的基于Burgers-Rott渦旋模型的渦旋SAR圖像仿真方法能夠實現(xiàn)氣旋式渦旋的SAR圖像仿真，并且仿真SAR圖像與真實SAR圖像能夠較好地吻合。

圖6 仿真SAR圖像與ERS-2 SAR圖像渦旋信息提取Fig.6 Eddy information extraction of simulated SAR image and ERS-2 SAR image

表2 渦旋信息提取結果Tab.2 Results of eddy information extraction

3.2 反氣旋式渦旋仿真實驗

圖7 呂宋海峽獲取的ENVISAT-1 ASAR圖像，獲取時間為2010.06.11, 01:51:48 UTCFig.7 ENVISAT-1 ASAR image of the Luson Strait obtained on June 11, 2010 at 01:51:48 UTC

ASAR圖像，圖像獲取時間為2010.06.11, 01:51:48 UTC，獲取地點在呂宋海峽。圖中方框2處為一個反氣旋式渦旋，旋轉方向為順時針。將方框2處的渦旋截取出來，截取圖像尺寸為24 km×24 km，如圖8所示。ENVISAT-1 ASAR圖像的具體雷達參數(shù)如表3所示。

從ECMWF獲取2010.06.11, 03:00:00時刻的風場再分析資料，分辨率為0.125°×0.125°。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，渦旋區(qū)域附近的風速為2.1 m/s，風向為45°。從GODAS獲取相同位置的5日平均流場再分析資料，

護理交接班是臨床護理服務的重要工作之一,可有效保證護理工作的連續(xù)性,同時對醫(yī)療服務中事故發(fā)生加以預防[1]。護理晨交班是護士在短時間內需要完成的重要護理工作,不僅需要提高晨交班速度,也要保障傳遞信息準確無誤,使接班者可準確了解患者的病情變化。我科自2017年8月實施sbar交班模式后,使護士在晨交接中患者有效信息傳遞方面的接受率大幅度提升,同時也使得交班流程更加規(guī)范,有效縮短了晨交班時間,提高了交班質量,現(xiàn)匯報如下。

表3 ENVISAT-1 ASAR參數(shù)Tab.3 ASAR parameters of ENVISAT-1

3.1節(jié)對氣旋式渦旋進行了仿真實驗，本節(jié)將針對反氣旋式渦旋進行仿真實驗。圖7是一幅ENVISAT-1分辨率為(1/3)°×1°。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，渦旋區(qū)域附近的流速為0.23 m/s。因此，設置參數(shù)為0.000657，流場大小設置為24 km×24 km，空間分辨率為100 m，雷達參數(shù)設置為表3中ENVISAT-1 ASAR參數(shù)。

圖9(a)、圖9(b)分別是該渦旋的仿真SAR圖像與真實SAR圖像，仿真時設定的雷達參數(shù)、海面風場條件與真實SAR圖像完全一致。對比圖9(a)、圖9(b)兩圖發(fā)現(xiàn)，仿真SAR圖像與真實SAR圖像中的渦旋形狀基本一致，渦旋臂的亮暗特征也較為吻合。從順時針方向看，渦旋臂從外到內均呈現(xiàn)為由暗到亮的特征。該結果與Lyzenga等人[6]研究結果一致，初步驗證了仿真方法的正確性。

課程是教育思想轉化為現(xiàn)實的橋梁和紐帶。課程是學校改革與發(fā)展、提高教育質量的關鍵環(huán)節(jié)。高職院校內涵建設的核心是課程。課程建設是在一定的課程觀指導下進行課程體系建設、課程組織實施、課程考核評價以及課程管理等工作的全過程。

為了定量地描述仿真SAR圖像與真實SAR圖像的中渦旋的相似性，同樣采用3.1節(jié)中的分析方法，得到渦旋擬合結果如圖10所示，提取的渦旋信息如表4所示。

他給《中國醫(yī)院院長》雜志記者的名片上，已經(jīng)印著自己在寧波一院出診的信息。“社區(qū)醫(yī)院主要以常見病為主，而在寧波一院遇到的病種多、病情急、病情復雜。這樣的鍛煉，擴展臨床思維，積累臨床經(jīng)驗”。

圖9 相同參數(shù)下仿真SAR圖像與ENVISAT-1 ASAR圖像對比圖Fig.9 Comparison of simulated SAR image and ENVISAT-1 ASAR image under the same parameters

圖10 仿真SAR圖像與ENVISAT-1 ASAR圖像渦旋信息提取Fig.10 Eddy information extraction of simulated SAR image and ENVISAT-1 ASAR image

表4 渦旋信息提取結果Tab.4 Results of eddy information extraction

對比仿真SAR圖像與真實SAR圖像的渦旋信息提取結果，可以發(fā)現(xiàn)兩幅圖像中渦旋的中心位置較為接近，方位向和距離向上均相差3個像素點，渦旋直徑及邊緣尺寸相對誤差均不超過0.006，這進一步驗證了仿真方法的正確性，說明本文提出的基于Burgers-Rott渦旋模型的渦旋SAR圖像仿真方法能夠實現(xiàn)反氣旋式渦旋的SAR圖像仿真。

4 總結

本文基于Burgers-Rott渦旋模型，提出了一種渦旋SAR圖像仿真方法，并分別針對氣旋式渦旋與反氣旋式渦旋進行了仿真實驗。通過將仿真SAR圖像與真實SAR圖像對比驗證發(fā)現(xiàn)，本文提出的渦旋SAR圖像仿真方法能夠實現(xiàn)氣旋式渦旋和反氣旋式渦旋的SAR圖像仿真，且仿真SAR圖像與真實SAR圖像能夠較好地吻合。

通過渦旋SAR圖像仿真實驗發(fā)現(xiàn)，無論氣旋式渦旋還是反氣旋式渦旋，其渦旋臂在SAR圖像中都會呈現(xiàn)亮暗交替變化的特征。其中，氣旋式渦旋臂呈現(xiàn)兩個亮暗交替周期，即亮-暗-亮；反氣旋式渦旋臂呈現(xiàn)一個亮暗交替周期，即暗-亮。這是由于這兩個渦旋臂的曲率不同，氣旋式渦旋臂曲率較大，亮暗交替周期較多，反氣旋式渦旋臂曲率較小，亮暗交替周期較少。

由于渦旋在SAR成像時會受到各種海洋環(huán)境因素的影響，通過真實SAR圖像難以完全解譯渦旋的特征。本文提出的SAR圖像仿真方法能夠彌補這種不足，可以清晰地獲取渦旋的尺度、亮暗等特征，這為海洋渦旋特征的解譯和提取提供了便利。