【最新成果】一种海洋涡旋SAR图像仿真方法

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，在全球海域广泛分布（图1）。作为海洋动力学的重要组成部分，涡旋的形成、运动和消衰一直是海洋科学家关注的重要研究方向。涡旋不仅能够影响海洋流场与化学物质的输送，从而对海洋的环流结构和海洋生态等产生重要作用，还能通过海气相互作用，对风场、云及降雨等大气现象产生影响。

合成孔径雷达（SAR）具有全天时、全天候、高分辨率、广覆盖面等优点，对海洋涡旋探测具有特殊意义，受到国际海洋遥感界的重视。然而，涡旋在SAR成像时会受到各种海洋环境因素的影响，通过真实SAR图像难以完全解译涡旋的特征。利用仿真SAR图像可以为涡旋的SAR图像特征解译提供指导，但是目前少有关于涡旋SAR图像仿真方法的研究，这也是目前海洋学者的研究热点和难点。

图1 海洋涡旋

针对该问题，中国科学院电子学研究所种劲松研究员团队基于流体力学中典型的Burgers-Rott涡旋模型与SAR海洋成像模型，提出了一种海洋涡旋SAR图像仿真方法，并进行了海洋涡旋SAR图像仿真实验，通过将仿真SAR图像与ERS-2 SAR图像和ENVISAT-1 ASAR图像进行对比，验证了该方法的有效性。

该工作拟发表在《雷达学报》2019年第3期“雷达海上目标探测”专题“一种海洋涡旋SAR图像仿真方法”（王宇航，杨敏，种劲松），现已网络优先出版。

该文首先基于流体力学Burgers-Rott涡旋模型建立了海洋涡旋二维流场，然后在给定海面风场条件下，将涡旋流场和海面风场输入到波流交互作用方程，生成了随机海面的二维浪谱，再将计算得到的海浪谱输入到海面微波散射模型，计算得到海面后向散射强度，通过考虑速度聚束效应和系统热噪声对仿真SAR图像信噪比的影响，最终生成了仿真涡旋SAR图像。

此外，文中分别针对气旋式涡旋和反气旋式涡旋开展了仿真实验，结果表明仿真SAR图像与真实SAR图像中涡旋形状特征、亮暗特征均较为一致。另外还通过对数螺旋线边缘拟合方法，提取了仿真SAR图像与真实SAR图像中涡旋中心位置、直径及边缘长度，发现两幅图像中涡旋的中心位置较为一致，方位向和距离向上仅相差3~4个像素点，涡旋直径及边缘长度的相对误差均不超过0.011，证明了该文提出方法的有效性和正确性（图2、图3）。

图2 气旋式涡旋仿真实验

图3 反气旋式涡旋仿真实验

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