CN115544788A - 一种二维流场作用下的海面电磁散射系数计算方法及系统 - Google Patents

一种二维流场作用下的海面电磁散射系数计算方法及系统 Download PDF

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CN115544788A CN202211296748.1A CN202211296748A CN115544788A CN 115544788 A CN115544788 A CN 115544788A CN 202211296748 A CN202211296748 A CN 202211296748A CN 115544788 A CN115544788 A CN 115544788A
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Abstract

本发明提出了一种二维流场作用下的海面电磁散射系数计算方法及系统，包括：步骤1、设定待观测的海面区域，设置流场、风场数据以及雷达参数；步骤2、设定波流相互作用模型中的相关参数，根据波流相互作用模型建立波作用量谱守恒方程；步骤3、采用射线追踪法对波作用量谱守恒方程进行求解，得到各点波列经过流场调制后的新的波作用量谱；步骤4、将步骤3计算得到的新的波作用量谱转换为波高谱，利用波高谱计算海平面相关信息，包括各点的均方根高度以及局部入射角；步骤5、将计算的海面信息和设定的雷达参数输入IEM电磁散射模型中，计算调制后的后向散射系数。本发明基于IEM模型的流场调制模型可以有效计算在二维流场调制下海面的电磁散射情况。

Description

一种二维流场作用下的海面电磁散射系数计算方法及系统
技术领域
本发明属于海洋微波遥感技术领域，尤其涉及一种二维流场作用下的海面电磁散射系数计算方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
海流是海水的大规模运动形式，反映的是海水在不同尺度下的输运状况。在不同的海区间，海流携带泥沙等物质，造成海岸带的变迁、海洋底层的沉积，从而影响海洋工程的建设、海洋航道的变化等。此外，海洋运输、海洋搜救、海洋渔业生产和海洋环境监测等海洋事务的开展，无不与海流有着密切的联系。
因此，海表层流场的研究已成为物理海洋研究的热点领域。目前星载SAR对海表层流的反演方法仅限于研究雷达径向表面流速，对二维流场的研究还处于探索阶段，其中利用空间采用一发多收和多发多收的复眼SAR系统构型方案是二维流场反演的热点方案。结合海流微波遥感基础理论可知，SAR对海洋的观测主要利用微波和海面微尺度波相互作用形成的海面后向散射，以及影响海面后向散射的各种海洋现象和过程的调制信号。因此研究二维流场调制下海面雷达散射系数的变化对探究新型SAR系统的探测机理和成像机制具有重要意义。现有的海流作用下的海面电磁散射计算方法主要建立在一维海面，且采用的电磁散射模型较为复杂，并且由于二维海流下计算海流调制作用中程序计算更为复杂，计算量较大，并且需要进一步考虑海流方向造成的影响，因此目前缺少二维海流作用下的海面电磁散射系数计算研究。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提出了一种基于IEM电磁散射模型的计算模型，用于计算二维海流影响下的海面电磁散射系数。该方法是将海面的风场与流场信息作为模型输入，将基于IEM模型的电磁散射计算方法和基于波流相互作用模型的流场调制计算方法作为建模手段，有效计算在流场调制下海面的电磁散射情况。
为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：
本发明第一方面提供了一种二维流场作用下的海面电磁散射系数计算方法，包括：
步骤1、设定待观测的海面区域，设置流场、风场数据以及雷达参数；
步骤2、设定波流相互作用模型中的相关参数，包括设定源函数以及海面波谱，根据波流相互作用模型建立波作用量谱守恒方程；
步骤3、采用射线追踪法对波作用量谱守恒方程进行求解，得到各点波列经过流场调制后的新的波作用量谱；
步骤4、将步骤3计算得到的新的波作用量谱转换为波高谱，利用计算得到的各点平衡状态的波高谱计算海平面相关信息，包括各点的均方根高度以及局部入射角；
步骤5、将计算的海面信息和设定的雷达参数输入IEM电磁散射模型中，计算调制后的后向散射系数。
进一步的，所述的设定待观测的海面区域包括：设定海面大小为100m×100m，海面分辨率为5m×5m；
所述设定流场和风场数据包括，海流方向为x轴正向，流向与风向夹角为同方向，设定每个采样点x方向与y方向的流速和风速大小；
所述的设定雷达参数包括：设定雷达频率为5.6GHz，极化方式为HH极化，雷达入射方向为x轴正向，雷达波入射角为30°、50°、70°。
进一步的，所述原函数为有限二次源函数，初始状态的波作用量谱采用Romeiser谱。
进一步的，所述波作用量谱守恒方程为：
Figure BDA0003903012670000031
其中，N为波作用量谱，S为源函数，k和l为波矢量的空间波数和位置，k＝(kx,ky)，l＝(x,y)，k和l对时间t的变化分别由射线方程描述。
进一步的，l随时间变化的射线方程为：
Figure BDA0003903012670000032
k随时间变化的射线方程为：
Figure BDA0003903012670000033
其中，cg(k)代表波包的群速度，U(l)＝(u,v)为输入的二维海表层流，该流场使波的固有角频率ω0发生多普勒偏移，得到表观频率ω，ω＝ω0+kU(l)，u表示x方向流速，v表示y方向流速。
进一步的，在海平面相关信息的计算过程中将波数积分范围选定为(k0×0.4,k0×10)；
进一步的，IEM电磁散射模型在后向散射下的表达式为：
Figure BDA0003903012670000034
其中ki为雷达波波数，θ为雷达波入射角，
Figure BDA0003903012670000035
表示与切平面近似场和补偿场相关的量，w(n)(2kisinθ,0)表示n阶粗糙度谱，由海面自相关函数进行n阶傅里叶变换得到，
Figure BDA0003903012670000036
其中fαβ代表基尔霍夫场系数，Fαβ代表补偿场系数，α和β代表水平极化或垂直极化。kx、ky、kz、ksx、ksy、ksz是与ki有关的几何参量。σ为海面均方根高度值，可由海浪谱计算得到。
本发明第二方面提供了一种二维流场作用下的海面电磁散射系数计算系统，包括：
参数设置模块，被配置为：设定待观测的海面区域，设置流场、风场数据以及雷达参数；
波作用量谱守恒方程建立模块，被配置为：设定波流相互作用模型中的相关参数，包括设定源函数以及海面波谱，根据波流相互作用模型建立波作用量谱守恒方程；
波作用量谱守恒方程求解模块，被配置为：采用射线追踪法对波作用量谱守恒方程进行求解，得到各点波列经过流场调制后的新的波作用量谱；
海平面相关信息计算模块，被配置为：将计算得到的新的波作用量谱转换为波高谱，利用计算得到的各点平衡状态的波高谱计算海平面相关信息，包括各点的均方根高度以及局部入射角；
后向散射系数计算模块，被配置为：将计算的海面信息和设定的雷达参数输入IEM电磁散射模型中，计算调制后的后向散射系数。
本发明第三方面提供了计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现所述的一种二维流场作用下的海面电磁散射系数计算方法中的步骤。
本发明第四方面提供了电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现所述的一种二维流场作用下的海面电磁散射系数计算方法中的步骤。
以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
1、本发明通过利用IEM模型计算准确、适用范围广、适用于流场研究的特点，提出了一种基于IEM模型的流场调制模型，可以有效计算在二维流场调制下海面的电磁散射情况。
2、利用射线追踪法求解波流相互作用模型，可以更快速准确的计算出海流调制下的表面波谱。
3、可以计算二维流场调制下的海面后向散射系数，有利于新型SAR系统的构建和研究，解决了现有技术中缺少二维海流作用下的海面电磁散射系数计算研究的问题。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明的实施例一的方法流程图。
图2是一维变化流场输入下，海面后向散射系数随距离变化的示意图。
图3是不同海流速度作用于同一海面时，海面后向散射系数随海流流速的变化关系图。
图4是二维流场下，本方法计算结果与卫星图像提取得到的后向散射系数对比示意图；(a)代表在墨西哥湾区域所选取的验证点(五角星表示)，背景为HYCOM模式数据得到的该区域下的流速；(b)表示在Sentinel-1a卫星图像中验证点对应的后向散射值与本发明计算的后向散射值结果对比。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
本实施例公开了一种二维流场作用下的海面电磁散射系数计算方法；
如图1所示，一种二维流场作用下的海面电磁散射系数计算方法，包括：
步骤1、设定待观测的海面区域，设置流场、风场数据以及雷达参数；
其中，所述的设定待观测的海面区域包括：设定海面大小为100m×100m，海面分辨率为5m×5m；
所述设定流场和风场数据包括，海流方向为x轴正向，流向与风向夹角为同方向，设定每个采样点x方向与y方向的流速和风速大小；风场与流场模型设定要符合采样矩阵相同原则，即风场和流场的大小和采样间隔要相一致，以便于后续波流调制模型的解算；
所述的设定雷达参数包括：设定雷达频率为5.6GHz，极化方式为HH极化，雷达入射方向为x轴正向，雷达波入射角为30°、50°、70°。
步骤2、设定波流相互作用模型中的相关参数，包括设定源函数以及海面波谱，根据波流相互作用模型建立波作用量谱守恒方程；
具体的，常见的源函数包括一阶线性源函数，有限二次源函数，本发明中选取有限二次源函数：
Figure BDA0003903012670000061
其中μ为松弛率，N0为初始状态下的波作用量。
初始状态的波作用量谱采用Romeiser谱，该谱为全波数谱，可以获得更大波数范围的波调制情况，在L-Ku波段下的具有较好的适用性，该谱表示为，
Figure BDA0003903012670000071
Figure BDA0003903012670000072
Figure BDA0003903012670000073
Figure BDA0003903012670000074
其中un＝1m/s，kn＝1rad/m，c1＝400rad/s P(k)和Ws(k)表示与波数k相关的系数，φ代表风向角，k1＝183rad/m，k2＝3333rad/m，k3＝33rad/m，k4＝140rad/m，k5＝220rad/m。
在流场作用下，海面Bragg波为代表的微尺度波会受到海表面的波流作用影响，不同波列的能量发生变化，但其作用量谱守恒，波流相互作用可由波作用量守恒方程描述：
Figure BDA0003903012670000075
其中N为波的作用量谱，S为源函数，k和l为波矢量的空间波数和位置，k＝(kx,ky)，l＝(x,y)，
k和l对时间的变化可由两个射线方程描述：
Figure BDA0003903012670000076
Figure BDA0003903012670000081
其中cg(k)代表波包的群速度，U(l)＝(u,v)为输入的二维海表层流，该流场使波的固有角频率ω0发生多普勒偏移，得到表观频率ω，ω＝ω0+kU(l)。在无线深度近似下，
Figure BDA0003903012670000082
u表示x方向流速，v表示y方向流速。
步骤3、采用射线追踪法对波作用量谱守恒方程进行求解，得到各点波列经过流场调制后的新的波作用量谱；
式(3)的微分方程目的是计算一段时间后的平衡作用量谱，为了保证计算的可靠性，本方法采用射线追踪法进行求解，其优势在于可以保证方程计算的准确性，且可以在不进行复杂修改的情况下更换源函数。该方法的实质是非线性作用对波作用量谱产生影响，变化的流场会导致波作用量谱重新分布，并在一定松弛时间内恢复平衡，通过射线方程沿时间反向进行追溯，在足够长时间或到达边界后，进行正向积分，从而保证波作用量达到平衡，最后得到各点波列经过流场调制后的新的波作用量谱。
步骤4、将步骤3计算得到的新的波作用量谱转换为波高谱，利用计算得到的各点平衡状态的波高谱计算海平面相关信息，包括各点的均方根高度以及局部入射角；
作用量谱可以转化为能量谱E和波高谱W，三者的关系为：
Figure BDA0003903012670000083
其中，ρ＝1025kg/m3。
经过步骤4的求解，会得到每个采样点下的调制谱。σ为海面均方根高度值，可由海浪谱计算得到，这是海面电磁散射模型计算的关键输入参数，
Figure BDA0003903012670000091
由于在海面散射计算中，只有一部分波长的海浪与电磁波产生作用，故在计算所需的几何参数时要考虑积分范围，这里将波数积分范围选定为(k0×0.4,k0×10)，此时海面均方根高度值如下所示：
Figure BDA0003903012670000092
其中，φ表示风向角。
计算海面局部入射角，如下所示：
Figure BDA0003903012670000093
其中θi代表入射角，φi代表入射方位角，zx和zy代表海面x方向和y方向的斜率。
步骤5、将计算的海面信息和设定的雷达参数输入IEM电磁散射模型中，计算调制后的后向散射系数。
IEM电磁散射模型是基于电磁波传输方程推导出的粗糙面散射场模型，在基尔霍夫模型的基础上引入补偿场，该模型的优势在于适用的粗糙度范围较广，且无需考虑大小尺度的划分问题，因而被广泛应用于地表及海洋环境下的电磁散射情况研究。实验证明该模型可以较好的计算内波经过时对海面后向散射系数的调制情况，故本发明采用IEM电磁散射模型研究海表面流场对海面电磁后向散射系数的影响。
该模型在后向散射下的表达式为：
Figure BDA0003903012670000094
其中ki为雷达波波数，θ为雷达波入射角，
Figure BDA0003903012670000101
表示与切平面近似场和补偿场相关的量，w(n)(2ki sinθ,0)表示n阶粗糙度谱，可由海面自相关函数进行n阶傅里叶变换得到。平衡状态下的海面波谱采用Romiser谱。
如图2所示，输入1000米长的变化一维流场，海面后向散射系数会受到流场调制。流场的梯度变化会引起海面后向散射系数呈现相反的梯度变化，不同流速下后向散射系数不同，这也解释了内波在卫星图像中呈现亮暗条纹分布的原因，证明了本发明的合理性。
将各点计算得到的调制波谱和均方根高度信息输入IEM电磁散射模型。由于随着谱阶数n的增大，计算结果会呈现收敛特性，故将n设定为15。图3展示了在不同入射角下，不同流速作用下的海面后向散射系数变化，其中流速表示设定海面区域内的平均流速。
如图4(a)所示，采用Sentinel-1a卫星数据在墨西哥湾的后向散射值与采用发明方法计算的后向散射值进行比较，选取了具有一定流速梯度的验证点(五角星表示)，其中输入流场与风场数据采用同时空的HYCOM流场数据与ERA5风场数据。图4(b)表示在Sentinel-1a卫星图像中验证点对应的后向散射值与本发明计算的后向散射值结果对比，可以看出结果较为一致，进一步验证本方法的可靠性。
实施例二
本实施例公开了一种二维流场作用下的海面电磁散射系数计算系统，包括：
参数设置模块，被配置为：设定待观测的海面区域，设置流场、风场数据以及雷达参数；
波作用量谱守恒方程建立模块，被配置为：设定波流相互作用模型中的相关参数，包括设定源函数以及海面波谱，根据波流相互作用模型建立波作用量谱守恒方程；
波作用量谱守恒方程求解模块，被配置为：采用射线追踪法对波作用量谱守恒方程进行求解，得到各点波列经过流场调制后的新的波作用量谱；
海平面相关信息计算模块，被配置为：将计算得到的新的波作用量谱转换为波高谱，利用计算得到的各点平衡状态的波高谱计算海平面相关信息，包括各点的均方根高度以及局部入射角；
后向散射系数计算模块，被配置为：将计算的海面信息和设定的雷达参数输入IEM电磁散射模型中，计算调制后的后向散射系数。
实施例三
本实施例的目的是提供计算机可读存储介质。
计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如本公开实施例1所述的一种二维流场作用下的海面电磁散射系数计算方法中的步骤。
实施例四
本实施例的目的是提供电子设备。
电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本公开实施例1所述的一种二维流场作用下的海面电磁散射系数计算方法中的步骤。
以上实施例二、三和四的装置中涉及的各步骤与方法实施例一相对应，具体实施方式可参见实施例一的相关说明部分。术语“计算机可读存储介质”应该理解为包括一个或多个指令集的单个介质或多个介质；还应当被理解为包括任何介质，所述任何介质能够存储、编码或承载用于由处理器执行的指令集并使处理器执行本发明中的任一方法。
本领域技术人员应该明白，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种二维流场作用下的海面电磁散射系数计算方法，其特征在于，包括：
步骤1、设定待观测的海面区域，设置流场、风场数据以及雷达参数；
步骤2、设定波流相互作用模型中的相关参数，包括设定源函数以及海面波谱；
步骤3、根据波流相互作用模型建立波作用量谱守恒方程，采用射线追踪法对波作用量谱守恒方程进行求解，得到各点波列经过流场调制后的新的波作用量谱；
步骤4、将步骤3计算得到的新的波作用量谱转换为波高谱，利用计算得到的各点平衡状态的波高谱计算海平面相关信息，包括各点的均方根高度以及局部入射角；
步骤5、将计算的海面信息和设定的雷达参数输入IEM电磁散射模型中，计算调制后的后向散射系数。
2.如权利要求1所述的一种二维流场作用下的海面电磁散射系数计算方法，其特征在于，所述的设定待观测的海面区域包括：设定海面大小为100m×100m，海面分辨率为5m×5m；
所述设定流场和风场数据包括，海流方向为x轴正向，流向与风向夹角为同方向，设定每个采样点x方向与y方向的流速和风速大小；
所述的设定雷达参数包括：设定雷达频率为5.6GHz，极化方式为HH极化，雷达入射方向为x轴正向，雷达波入射角为30°、50°、70°。
3.如权利要求1所述的一种二维流场作用下的海面电磁散射系数计算方法，其特征在于，所述原函数为有限二次源函数，初始状态的波作用量谱采用Romeiser谱。
4.如权利要求1所述的一种二维流场作用下的海面电磁散射系数计算方法，其特征在于，所述波作用量谱守恒方程为：
Figure FDA0003903012660000021
其中，N为波作用量谱，S为源函数，k和l为波矢量的空间波数和位置，k＝(kx,ky)，l＝(x,y)，k和l对时间t的变化分别由射线方程描述。
5.如权利要求4所述的一种二维流场作用下的海面电磁散射系数计算方法，其特征在于，l随时间变化的射线方程为：
Figure FDA0003903012660000022
k随时间变化的射线方程为：
Figure FDA0003903012660000023
其中，cg(k)代表波包的群速度，U(l)＝(u,v)为输入的二维海表层流，该流场使波的固有角频率ω0发生多普勒偏移，得到表观频率ω，ω＝ω0+kU(l)，u表示x方向流速，v表示y方向流速。
6.如权利要求1所述的一种二维流场作用下的海面电磁散射系数计算方法，其特征在于，在海平面相关信息的计算过程中将波数积分范围选定为(k0×0.4,k0×10)。
7.如权利要求1所述的一种二维流场作用下的海面电磁散射系数计算方法，其特征在于，IEM电磁散射模型在后向散射下的表达式为：
Figure FDA0003903012660000024
其中ki为雷达波波数，θ为雷达波入射角，
Figure FDA0003903012660000025
表示与切平面近似场和补偿场相关的量，w(n)(2ki sinθ,0)表示n阶粗糙度谱，由海面自相关函数进行n阶傅里叶变换得到，
Figure FDA0003903012660000031
其中fαβ代表基尔霍夫场系数，Fαβ代表补偿场系数，α和β代表水平极化或垂直极化。kx、ky、kz、ksx、ksy、ksz是与ki有关的几何参量。σ为海面均方根高度值，可由海浪谱计算得到。
8.一种二维流场作用下的海面电磁散射系数计算系统，其特征在于：包括：
参数设置模块，被配置为：设定待观测的海面区域，设置流场、风场数据以及雷达参数；
波作用量谱守恒方程建立模块，被配置为：设定波流相互作用模型中的相关参数，包括设定源函数以及海面波谱，根据波流相互作用模型建立波作用量谱守恒方程；
波作用量谱守恒方程求解模块，被配置为：采用射线追踪法对波作用量谱守恒方程进行求解，得到各点波列经过流场调制后的新的波作用量谱；
海平面相关信息计算模块，被配置为：将计算得到的新的波作用量谱转换为波高谱，利用计算得到的各点平衡状态的波高谱计算海平面相关信息，包括各点的均方根高度以及局部入射角；
后向散射系数计算模块，被配置为：将计算的海面信息和设定的雷达参数输入IEM电磁散射模型中，计算调制后的后向散射系数。
9.计算机可读存储介质，其上存储有程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-7任一项所述的一种二维流场作用下的海面电磁散射系数计算方法中的步骤。
10.电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-7任一项所述的一种二维流场作用下的海面电磁散射系数计算方法中的步骤。
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