论飞机尾流散射特性的度量方法

由于航空安全的推动,飞机尾流的雷达探测成为雷达技术领域的新兴前沿课题。作为一类极为特殊的时变、非均匀、分布式、弱散射介质目标,飞机尾流的散射特性极具理论研究价值,同时对尾流的雷达探测技术研究具有重要指导意义。在尾流散射特性研究领域,尾流散射能力的度量存在体散射率、线散射率和雷达散射截面(RCS)直接度量三种方法。然而,目前尚未见这三种度量方法的物理基础、特点、内在关系、相互转换关系的分析。对上述问题进行了讨论,为以后的飞机尾流电磁散射特性研究和工程应用提供参考。     

舰船气泡尾流散射光斯托克斯特征研究

针对当前探测器距离尾流较近时目标回波信号淹没在水体散射信号中,以及对低密度、微小气泡群较难探测的问题,通过对尾流散射光的斯托克斯参量特征进行研究,可全面反映光经过尾流散射后的完全偏振光、部分偏振光全非偏振的特征。仿真计算了尾流中微小气泡在不同半径、不同散射角条件下斯托克斯散射矩阵的变化,并对比了水分子的散射特征,研究分析发现:（1）不同大小尾流微气泡的斯托克斯散射特征既有相似之处,也有一定的差异;（2）微气泡的散射参量,与水分子相对应参量比较,差异更加明显,水分子的散射参量不存在震荡现象且散射特征稳定。利用斯托克斯参量进行光尾流特征分析,信息量较全面,光散射特征差异明显,证实了其用于尾流信号分析、探测的可行性。     

粗糙海面上舰船Kelvin尾迹的电磁散射仿真

基于点源扰动方法建立了舰船的Kelvin尾迹模型, 模拟了不同船速下的Kelvin尾迹.实际中, 舰船尾迹除了受到舰船自身参数影响外, 还会受到风驱海浪的调制.为了建立更为符合实际的Kelvin尾迹模型, 借助PM(Pierson-Moscowitz)海谱生成粗糙海面, 将其与Kelvin尾迹模型进行线性叠加后, 得到了粗糙海面上舰船尾迹.在该复合模型基础上, 利用物理光学法获得了不同入射情况下的单站、双站的雷达散射截面, 实现了海面舰船尾迹电磁散射的模拟仿真.这一过程的实现, 有利于更好地模拟舰船尾迹在合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)中的成像仿真, 同时为SAR成像中舰船尾迹以及舰船自身的识别奠定了基础.     

小波阈值去噪在尾流散射光信号处理中的应用

为了从噪声背景中有效地提取舰船尾流后向散射光信号,采用4阶Daubechies小波对采集的信号进行了1维离散小波变换,将主要包含目标船后向散射光信号的低频部分和主要包含噪声的高频部分区别开来,使用阈值函数进行小波系数处理.在小波软硬阈值去噪方法的基础上,提出了一种新的阚值函数.该阈值函数克服了硬阈值函数值不连续的问题和...     

缝隙及其与边缘的相互作用对目标散射的影响

随着雷达散射截面 ( RCS)减缩技术的发展 ,缝隙对目标散射行为的影响已经日益突出。文中分析了有限目标上缝隙自身的散射 ,及缝隙与边缘的相互作用对目标散射的影响     

用于尾流探测的新型片光源

尾流气泡幕图像的像质取决于水下光电探测系统的效率,而光源是影响整个成像系统品质的重要原因。针对这个问题设计了适用于实际水下复杂工作环境的新型激光片光源系统,分析和验证了该片光源的能量利用率及可行性。试验结果表明,该片光源系统解决了成像系统照明问题的同时,避免了在光学系统景深范围内太多的图像层叠。在实验室条件下可以获得较清晰的图像,为后续的气泡幕物理参数的精确获取创造了重要的条件。这种光源的独特优势使其在水下小视场光学系统中得到很好的应用。     

飞机尾涡特性分析与激光探测技术研究

为实现尾涡告警,保障飞行安全和提高机场容量,研究了飞机尾涡特性和激光探测技术.阐述了飞机尾涡的生成机理,利用解析模型和仿真计算研究了尾涡特性;给出了尾涡相干多普勒激光探测原理,设计了尾涡探测方式,分析了回波多普勒谱特性,并计算了尾涡探测精度.研究表明:尾涡强度与衰减等特性与飞机质量相关;其回波多普勒谱值反比于多普勒频移的三次方和飞行速度的二次方,而正比于飞机质量的二次方;基于1.5m脉冲相干多普勒激光雷达的尾涡探测具有高精度、远距离的优势.此外,通过初步开展的机场尾涡探测实验验证了激光探测尾涡的方法切实可行,性能优越.     

电离层时域散射与逆散射的数值

采用具有四阶精度的时域有限差分法计算了电离层对时域脉冲的散射,然后应用小波变换求出了反射信号的时频分布.这一时频分布就相当于电离层的频高图.最后利用POLAN程序重建了等离子体剖面,重建剖面非常接近原始剖面.     

舰船湍流尾迹的数值模拟及其单站RCS计算

基于舰船湍流尾迹的半经验公式和双线性叠加方法, 分别模拟船尾射流尾迹和船侧涡流对尾迹, 与湍流实验结论比较, 验证了模拟结果的准确性以及方法的有效性.提出一种用双尺度模型结合物理光学法(Physical Optics, PO)计算粗糙面电磁散射的方法, 应用该方法计算风驱海面杂波雷达散射截面(Radar Cross-Section, RCS)并与双尺度方法(Two Scale Method, TSM)的计算结果和实测数据比较, 吻合得较好, 验证了该方法的正确性.应用该方法计算湍流尾迹的雷达散射截面, 为数值模拟舰船尾迹的合成孔径雷达图像奠定了基础.     

The simulation of the SAR image of a ship wake

A computer simulation of L-band SAR (synthetic aperture radar) images of surface-ship wakes is described, and the simulation results are compared to actual Seasat, satellite-borne SAR imagery. The model used in the simulation accounts for both the disturbance produced in the water by the moving ship and the influence of the background sea. The radar scatter from the wake is modeled using the Bragg mechanism. A two-scale model of the sea surface is employed in which it is assumed that the small-wavelength Bragg waves are modulated by the larger-scale ambient sea and wake fluctuations. The larger-scale fluctuations are important because they can alter the local angle of incidence and thus cause a tilt modulation in the scattering coefficient. Several components of the wake are modeled: the ambient waves, the Kelvin wake, and the turbulent wake. The model can produce long turbulent wakes, which may be bright or dark, depending on the geometry of the ship, radar, and wind, and it can produce Kelvin wakes     

Energy transport and the scattering matrix

An energy-transport equation is obtained for the n-port scattering matrix of a general lossless anisotropic dispersive medium. This yields a theorem that in a lossless nonreciprocal 2-port the sum of the phase derivatives of the two transmission scattering coefficients must be nonnegative.     

尾流气泡参数测量系统的光学设计

针对尾流气泡成像存在的难点,采用片光源切片扫描与高速摄影相结合的技术手段,研制了一套尾流气泡参数测量系统。该系统采用片光照明,避免了尾流区气泡图像层叠;设计了三组倍率可切换镜头,实现了对粒径是大动态范围的小气泡的成像;将镜头分裂成前后组,以平行光中继,通过片光与前镜组的同步移动,可实现尾流区一定体积内气泡图像的采样,同时还能保证扫描过程中始终成像清晰。还讨论了前组镜头移动对成像质量的影响、片光源厚度选择以及系统畸变校正等问题。设计结果表明,系统成像效果良好,满足项目技术要求。     

基于非亚采样轮廓波的舰船尾迹检测

介绍了海洋表面合成孔径雷达（SAR）图像的舰船尾迹检测算法。该算法首先对图像进行对数变换，将乘性噪声转化为加性噪声，然后对图像进行非亚采样contourlet 变换，根据变换后的像素均值对变换系数进行调整，以便去除噪声和提取尾迹轮廓。接着对经非亚采样contoulet调整后的图像进行局部Radon变换，即在对像素积分过程中沿着线性特征被分割后的若干短线段进行积分，而非对整幅图像进行积分。最后通过采用形态学膨胀和腐蚀的方法将临近的分离短线段连接起来便于后续的处理。采用该算法对实际SAR图像进行舰船尾迹检测，结果表明：该算法在背景噪声很强时仍能检测出略微有弯曲的尾迹信号。     

基于非亚采样轮廓波的舰船尾迹检测

介绍了海洋表面合成孔径雷达(SAR)图像的舰船尾迹检测算法.该算法首先对图像进行对数变换,将乘性噪声转化为加性噪声,然后对图像进行非亚采样contourlet变换,根据变换后的像素均值对变换系数进行调整,以便去除噪声和提取尾迹轮廓.接着对经非亚采样contoulet调整后的图像进行局部Radon变换,即在对像素积分过程中沿着线性特征被分割后的若干短线段进行积分,而非对整幅图像进行积分.最后通过采用形态学膨胀和腐蚀的方法将临近的分离短线段连接起来便于后续的处理.采用该算法对实际SAR图像进行舰船尾迹检测,结果表明:该算法在背景噪声很强时仍能检测出略微有弯曲的尾迹信号.     

红外遥感图像舰船尾迹提取及检测

中低空间分辨率的红外遥感图像中,海面上的舰船所占像素很少,目标的几何形状和具体的纹理结构等特征难以获取。为提升探测的极限信杂比,将呈现线状特征的舰船尾迹特征作为检测要素,对其进行数学表征。创新性地建立了Dot-Curve检测体系,以二维曲率滤波为基础进行初步的舰船检测和尾迹特征提取,建立特征集,从中选取与背景干扰项差异较大的包含尾迹灰度方差、尾迹两侧灰度斜率正负性、尾迹线性度、与船体检测结果距离在内的多项特征,鉴别候选目标的检测结果,去除干扰项,提取目标。结果表明,经过目标鉴别,在不同波段红外图像中,舰船误检率降低到8.40%以下,检测率得到提升,至少达到94.53%。该船只检测算法结合尾迹物理特性和图像特征,适用于多种场景和波段,算法精炼有效,物理规律清晰,所需样本少。     

尾流气泡对脉冲激光时间展宽的研究

为了研究气泡对激光的时间展宽问题,采用米氏光散射理论,对气泡的光散射特性以及多次散射效应进行了理论分析,并开展了实验研究,得到了气泡在不同距离时后向光散射信号波形。结果表明,气泡对激光脉冲的传输有明显的影响,导致了脉冲激光在时间上的展宽,信号展宽的宽度随距离近似呈二次曲线变化。     

范数理论在尾流气泡幕参数研究中的应用

针对目前尾流测量中只能获得一个参数的缺点,本 文将范数理论应用于尾流气泡幕参数的计算。 试验中,通过片光源切片成像系统拍摄尾流气泡幕图像,应用范数计算方法结合粒径信息得 到气泡幕图像的 粒密度、粒径分布均匀性和体密度等参数,再通过上述参数判断产生尾流的目标航体的相关 信息。与传统的方法相比,范数计算方法具有所需已知量少、计算方法简单、获取信息量大 和 对舰船尾流的状态判断准确等优点,有望在舰船尾流气泡幕的研究取得重要的应用。     

Radar reflections from explosion and gas wake of operating engines

The mechanisms of radar reflections from the explosion area and gas wake of operating engines are analyzed; it is shown that the reflections caused by radiowave backscattering from a turbulent gas-like explosion and combustion products can be observed for rather a long time. The results of the investigations into local spatial-temporal characteristics of the disturbed area and radar observations, carried out at wavelengths 10, 3, 0.8, and 0.4 cm are presented     

飞机尾流RCS计算中的网格剖分技术

飞机尾流雷达散射截面(RCS)通常可通过求解尾流的被动保守量和介电常数分布,对尾流区域的电场积分得到。实现尾流区域离散化处理,现有方法一般采用满足被动保守量求解精度要求的非均匀网格剖分技术。由于该剖分存在大量尺度与电磁波长相当甚至更大的网格,因此,不能直接用于计算尾流RCS。针对该问题,提出了一种线性插值处理方法,把被动保守量从被动保守量计算的非均匀网格上映射到满足RCS计算要求的均匀细网格上。该方法在保证较高的电磁计算精度的情况下,避免了使用电磁计算细网格求解被动保守量导致的计算量急剧增加。通过数值实验验证了本处理方法的高效性。     

舰船尾流激光探测跟踪方法与试验

舰船尾流激光探测跟踪是水下航行器对舰船进行探测、识别、跟踪的新手段。论文基于舰船尾流分布特性、气泡目标特性,采用蒙特卡洛仿真方法,实现了多尺度、宽数密度、大厚度舰船尾流气泡群的后向散射回波信号特性仿真,得到了水下航行器载激光探测系统在搜索、跟踪阶段信号的变化趋势,以及不同目标舰船的激光后向回波信号变化强度,可有效模拟激光探测系统对舰船尾流目标特性的真实跟踪状态。对于大型船只,当激光探测系统位于尾流之下时,航行器距舰船目标越近,尾流气泡激光回波越强,脉冲宽度展宽幅度越大;当激光探测系统位于尾流之中时,航行器距舰船目标越近,尾流气泡激光回波越弱,脉冲宽度变窄幅度越大。探测系统位于尾流之下时与探测系统位于尾流之中时,信号变化相反。小型船只信号变化趋势基本与大型船只保持一致,但尾流激光探测回波强度变低。开展了湖泊环境下船舶尾流激光探测跟踪试验,当探测系统在尾流之下时,大型船只尾流激光回波信号信噪比高,小型船只尾流激光难以检测。探测系统位于尾流之中时,大小船只尾流激光探测系统都可实现有效探测。论文可为舰船尾流探测实际工程应用提供支撑。