双尺度动态分形粗糙海面的电磁散射及多普勒谱研究

利用更为符合海面实际散射场计算的双尺度法分析并计算了一维动态分形粗糙海面的后向散射截面，同时与微扰法有关结果进行了比较.研究了动态分形海面后向散射信号的多普勒谱分形特征，分析了不同极化状态下后向散射截面和多普勒谱谱宽随入射角及分维的变化规律，最后详细讨论了多普勒谱中心频率与海面Bragg谐振频率间的关系. 关键词： 双尺度模型 分形海面 电磁散射 多普勒谱     

气泡/泡沫覆盖粗糙海面电磁散射的修正双尺度法研究

提出了风驱粗糙海面覆盖水气泡层的‘体-面’复合模型.基于修正的双尺度粗糙面散射理论、MIE理论和矢量辐射传输理论,比较了水气泡与实心水粒子的电磁散射特性的差异,分析了海面泡沫覆盖率与风速、气-海温差的关系.在有、无泡沫层情形下,采用高斯和经验海谱,讨论了单站、双站散射系数与入射角、方位角、风速、风向、极化等参量的关系,并将数值计算的结果与相关文献的测量值进行了比较和分析. 关键词： 电磁散射 海面复合模型 修正双尺度法 MIE     

海面与其上方双矩形截面柱复合散射的混合算法研究

采用Pierson-Moscowitz(PM)海谱和Monte Carlo方法模拟实际的粗糙海面, 基于矩量法和基尔霍夫近似的混合算法研究了海面与其上方双矩形截面导体柱的复合电磁散射特性, 得出了复合散射系数的角分布曲线, 计算了复合散射系数随海面参数、矩形截面柱参数以及入射波参数的变化情况, 并做了详细分析与讨论, 得到了PM谱海面与其上方双矩形截面柱复合散射特性. 结果表明, 与单纯的矩量法相比较, 采用基于矩量法和基尔霍夫近似的混合算法, 既可获得较高的准确性, 同时又可减少计算时间和内存占用量, 而且粗糙面尺度越大该优势越明显.     

插值小波尺度法探地雷达数值模拟及四阶Runge Kutta辅助微分方程吸收边界条件

应用迭代插值方法构造了插值小波尺度函数,并将该尺度函数的导数用于离散Maxwell方程组的空间微分,使用四阶Runge Kutta(four order Runge Kutta,RK4)算法计算时间导数,导出了插值小波尺度法的探地雷达(ground penetrating radar,GPR)正演公式,与常规的基于中心差分的时域有限差分算法(finite difference time domain,FDTD)相比,插值小波尺度算法提高了GPR波动方程的空间与时间离散精度.首先,采用具有解析解的层状模型,分别将FDTD算法及插值小波尺度法应用于层状模型正演,单道雷达数据与解析解拟合表明:相同的网格剖分方式,插值小波尺度法比FDTD具有更高的精度.然后,将辅助微分方程完全匹配层(auxiliary differential equation perfecting matched layer,ADE-PML)边界条件应用到插值小波尺度法GPR正演中,在均匀介质模型中对比了FDTD-CPML(坐标伸缩完全匹配层),FDTD-RK4ADE-PML、插值小波尺度RK4ADE-PML的反射误差,结果表明:插值小波尺度RK4ADE-PML吸收效果优于另外两种条件下的吸收边界.最后,应用加载UPML(各向异性完全匹配层)的FDTD和RK4ADE-PML的插值小波尺度法开展了二维GPR模型的正演,展示了RK4ADE-PML对倏逝波的良好吸收效果.     

基于文氏改进谱的二维粗糙海面模型及其电磁散射研究

基于文氏改进功率谱和Donelan方向分布的实验结论,结合经典的Monte Carlo法提出了一种适用于不同水深、不同风浪成长阶段的二维粗糙海面模型.在经典的双尺度法计算海面后向散射的基础上,结合小斜率近似法的仿真结果,对电磁散射计算方法进行改进.通过与典型海杂波均值散射系数GIT模型的拟合结果进行对比,验证了文氏改进谱在中国近海海面模拟的适应性与改进后电磁散射计算方法的有效性.     

含泡沫面元模型的海面电磁散射研究

传统计算海面电磁散射的方法都是通过求集平均的方法来统计得到不同输入参数下海面总回波系数的均值曲线,并不需要具体的几何样本.随着合成孔径雷达以及雷达成像的发展,为了充分描述海面各点的分布特征,需要得到海面具体面元的散射结果,同时随着海面上方风速的增大,海面泡沫层的出现会对散射结果产生相当大的影响.本文采用海面模型面元化的思想,将海面散射的贡献面元化,同时考虑泡沫层对大入射角下散射结果的影响,计算了不同风速下海面的后向散射系数,并与实测数据做对比分析,验证了方法的准确性.     

分形海面的微波电磁散射计算模型

利用2维Weierstrass带限函数建立了模拟粗糙海面形状的模型,讨论了分形维数、频率幅度尺度因子等分形参数对海面形状的影响。以粗糙海面形状模型为基础,针对模拟的分形海面形状,从亥姆霍兹积分出发,利用基尔霍夫近似推导出2维分形海面的电磁散射系数,并进行了数值模拟。对微波电磁散射特性随分形维数、频率幅度尺度因子、入射波入射角变化的规律做了进一步讨论分析。在低掠射角时电波会受海面的遮挡,用遮挡函数对散射系数进行修正。研究表明:随着分形维数的增大,散射峰分布变均匀。频率幅度尺度因子越大,散射也越分散。随着入射角的增大,后向散射也逐渐增强,而前向散射逐渐减弱。     

海杂波背景下的目标检测新方法

提出了一种基于分形布朗运动模型的S波段雷达海杂波分形维数提取方法.分析了基于记忆库混沌时间序列预测方法，引入一种改进核函数的支持向量机分类器.在此基础上，提出了一种新的海杂波背景下目标检测方法.应用S波段雷达实测海杂波数据，计算得到了该信号的分形维数与Lyapunov指数，验证了S波段雷达海杂波的混沌分形特性.仿真实验结果验证了该方法具有较强的检测能力和抗杂波性能. 关键词： 分形布朗运动 分形维数 记忆库预测方法 支持向量机分类器     

大气波导条件下雷达海杂波功率仿真

考虑近海面大气折射率垂直梯度的变化, 采用曲面波频谱估计方法(CWSE)计算掠射角, 并结合修正的GIT海表反射率模型和雷达距离方程对大气波导条件下雷达海杂波功率进行仿真, 最后通过数值实验及与实测数据比较, 验证了CWSE方法的可行性. 关键词： 大气波导 雷达海杂波 曲面波频谱估计     

二维海面上舰船目标电磁散射及合成孔径雷达成像技术研究

研究了二维海面上三维金属目标的电磁散射计算以及合成 孔径雷达(SAR)成像技术. 基于物理光学法、几何光学法和射线弹跳法计算了海 面与目标镜面反射及相互耦合作用; 并用等效电流法计算了目标的棱边绕射作用, 该方法考虑了阴影效应,同时为了消除人为截断引起的边缘衍射, 采用锥形入射波入射. 应用蒙特卡罗法生成的Pierson-Moskowitz谱粗糙面模拟实际海洋面, 计算海面上立方体及舰船的双站雷达散射截面, 通过与数值算法的结果相比较, 验证了该算法的正确性. 运用该解析法快速获取不同频率、 不同角度入射波照射下海面与目标的复合后向散射场数组, 结合SAR成像技术, 得到海面上立方体以及不同姿态舰船目标的SAR成像结果. 该研究成果在实际海洋遥感、海面上军事目标的探测与识别 等领域中具有重要的应用价值.     

Numerical study of electromagnetic scattering from one-dimensional nonlinear fractal sea surface

In recent years, linear fractal sea surface models have been developed for the sea surface in order to establish an electromagnetic backscattering model. Unfortunately, the sea surface is always nonlinear, particularly at high sea states. We present a nonlinear fractal sea surface model and derive an electromagnetic backscattering model. Using this model, we numerically calculate the normalized radar cross section (NRCS) of a nonlinear sea surface. Comparing the averaged NRCS between linear and nonlinear fractal models, we show that the NRCS of a linear fractal sea surface underestimates the NRCS of the real sea surface, especially for sea states with high fractal dimensions, and for dominant ocean surface gravity waves that are either very short or extremely long.     

Electromagnetic backscattering from one-dimensional drifting fractal sea surface Ⅱ:Electromagnetic backscattering model

Sea surface current has a significant influence on electromagnetic(EM) backscattering signals and may constitute a dominant synthetic aperture radar(SAR) imaging mechanism. An effective EM backscattering model for a one-dimensional drifting fractal sea surface is presented in this paper. This model is used to simulate EM backscattering signals from the drifting sea surface. Numerical results show that ocean currents have a significant influence on EM backscattering signals from the sea surface. The normalized radar cross section(NRCS) discrepancies between the model for a coupled wavecurrent fractal sea surface and the model for an uncoupled fractal sea surface increase with the increase of incidence angle,as well as with increasing ocean currents. Ocean currents that are parallel to the direction of the wave can weaken the EM backscattering signal intensity, while the EM backscattering signal is intensified by ocean currents propagating oppositely to the wave direction. The model presented in this paper can be used to study the SAR imaging mechanism for a drifting sea surface.     

Performance comparison of detection methods for weak target based on two-dimensional fractal sea surface

A detection method of the weak radar target is studied by applying fuzzy theory and multifractal correlation theory based on a two-dimensional fractal sea surface model. Firstly, a two-dimensional fractal sea surface model and its backscattering coefficient are introduced, the backscattering coefficient is a universal model affected by seawater permittivity, electromagnetic wave incidence angle, incident frequency, wind speed and wind direction factors. A novel two-dimensional wideband radar echo model, which is considered as a time-domain convolution of the stepped frequency signal radiated by airborne radar and the backscattering coefficient, is derived. Secondly, multifractal correlation theory is elaborated and a computation method of a membership degree of multifractal correlation spectrum is proposed, fuzzy theory and the AdaBoost algorithm are applied to the target detection. Finally, several target detection methods are compared with CA-CFAR and works of the predecessors. The results of the comparative study show its rationality of the two-dimensional wideband radar echo model and the superiority of wideband radars in detection performance, it is also seen that the multifractal correlation spectrum outperforms the multifractal spectrum in the probability of detection.     

Polarimetric scattering from a two-dimensional improved sea fractal surface

This paper studies the influence of wind parameters and fractal dimension from an improved two-dimensional sea fractal surface on the polarimetric scattering by using facet integration.A two-dimensional improved sea surface simulated is discretized into three matrices of sea surface facets including a height matrix and two slope matrices on orthogonal directions.Based on the Kirchhoff approximation,the polarimetric scattered field is derived in the Cartesian coordinate system by integration of three matrices mentioned above.Finally,the fully polarised radar cross section is numerically simulated and the dependence of the polarimetric scattering on the sea fractal surface,such as the wind speed,the wind direction,as well as the fractal dimension,is discussed in detail.     

基于小波leaders的海杂波时变奇异谱分布分析

海杂波的奇异谱分析不仅能从理论上揭示海洋表面的动力学机理,同时也是对海探测雷达的关键技术之一.本文提出基于小波leaders的海杂波时变奇异谱分析方法,将时间信息引入海杂波的奇异谱分析之中,从而实现动态的解析描述海杂波随时间变化的奇异谱特性.在理论上,通过信号自身加窗,将时间信息引入传统的奇异谱(或称多重分形谱),实现了对海杂波时变奇异谱分布分析;在算法上,充分利用了小波leaders技术对于多种奇异性的提取能力(包括chirp奇异性和cusp奇异性),通过对时变奇异性指数和时变尺度函数的Legendre变换,实现对海杂波时变奇异谱分布的计算;在应用部分,采用经典的多重分形模型——随机小波序列(RWC)以及三级海态条件下连续波多普勒体制雷达海杂波进行仿真分析,实验结果表明:1)基于小波leaders的奇异谱分布能跟踪海杂波的时变尺度特性,有效展示其时变奇异性谱分布;2)算法具有较好的负矩特性和统计收敛性.该方法能为复杂非线性系统及随机多重分形信号分析提供参考.     

海杂波的分段分数布朗运动模型

主要研究了分段分数布朗运动(PFBM)模型在雷达海杂波分形建模中的应用.由于自然界和人造系统中研究对象不具有数学上完美的分形特性, 从而研究对象的分形特性无法在整个尺度区间上成立, 传统上, 海杂波的单一分形模型仅利用无标度区间内海杂波的自相似信息进行参数估计, 并没有考虑海杂波在无标度区间以外的尺度下所包含的信息.分段分数布朗运动从频域角度对海杂波频谱进行分段描述, 对应到时域即从粗略尺度和精细尺度两方面描述海杂波时间序列.结合海杂波产生的物理背景, 该模型可以为海杂波时间序列在粗略尺度和精细尺度下表现出的不同粗糙度提供机理性解释.在此基础上, 还研究了具有不同多普勒频率的运动目标对海杂波的影响, 结果表明运动目标对粗略尺度和精细尺度下海杂波的影响程度是不同的.     

A two scale nonlinear fractal sea surface model in a one dimensional deep sea

Using the theory of nonlinear interactions between long and short waves,a nonlinear fractal sea surface model is presented for a one dimensional deep sea.Numerical simulation results show that spectra intensity changes at different locations(in both the wave number domain and temporal-frequency domain),and the system obeys the energy conservation principle.Finally,a method to limit the fractal parameters is also presented to ensure that the model system does not become ill-posed.