动态海面及其上目标复合电磁散射与多普勒谱研究

摘要

关于动态海环境下微波高频段雷达回波特性的研究一直是业界重点关注的热点之一。尤其当海环境中存在船类等复杂运动目标时，该研究课题成为一项十分复杂且极具挑战性的工作，主要表现在以下几个方面：其一，海浪因其运动方式复杂多变，仅针对时变海面电磁散射特性的研究就已经包含众多难点，如海浪的非线性运动、二维海浪时变运动所带来的巨大计算负担、电磁波与海浪的复杂作用方式等等。尤其在微波高频段下，目前仍然没有一种十分有效的海杂波模型及时变特性分析模型；其二，海面上目标(主要指船类目标)往往具有超大电尺寸和复杂精细的结构，使得船类目标电磁散射的快速计算同样也是计算电磁学领域的难点；其三，船类目标同海面之间的电磁耦合十分复杂，加之时变海面与目标的水动力相互作用使得目标在海面上的姿态不断随时间变化，从而使问题变得更加复杂。
　　本论文系统地研究了微波高频段下海面电磁散射及其与电大尺寸目标复合散射问题，建立了时变海面散射模型和时变海面及其上方运动目标复合散射模型，分析了海面回波及海上目标回波的幅度均值变化规律及其多普勒谱特性。论文工作主要从以下几个方面展开：
　　1.基于散射贡献面元化思想，提出了“半确定性面元散射模型”，适合快速计算任意单双站角、不同海况条件下的海面电磁散射系数的空间分布及均值水平，同时，结合该模型实现了二维海面合成孔径雷达(SAR)成像快速模拟。
　　2.基于电磁波与海浪的布拉格谐振基本散射机理，提出了毛细波的简化表示方法。利用该简化表示处理传统微扰解积分核的指数项，推导出任意倾斜微粗糙小面元复反射函数的解析近似表达式，并在小面元模型物理描述的基础上，建立了同时包含回波幅度和相位信息的二维海面复反射函数快速预估模型，即“毛细波相位修正面元散射模型(CWMFSM)”。本文基于具有可观计算效率的CWMFSM模型，实现了X波段下二维时变海面确定性样本的多普勒谱模拟和分析。
　　3.在详细讨论了传统多路径及修正多路径复合散射分析模型的基础上，提出了一种基于粗糙表面镜像反射单元空间分布加权镜像路径耦合贡献的思路，并建立了适合计算电大目标及其下方确定性粗糙面复合散射特性的快速预估模型。这种加权多路径模型相对于传统多路径方法更加合理地处理了目标下方粗糙面镜像反射单元斜率缓变对耦合散射的影响，从而更加适合快速计算不同时刻下具有确定性高度分布特性的粗糙海面及其上目标的时变复合散射问题。
　　4.采用六自由度船舶随浪运动模型研究了系列60船模的随浪运动特征，并在此基础上结合毛细波相位修正面元散射模型、加权多路径复合散射模型建立了“全动态”船海复合环境下微波高频段雷达回波快速预估模型。充分讨论了海上船类目标摇荡及平行运动对复合场景雷达回波幅度时变特性及多普勒谱特性的影响。

目录

文摘

英文文摘

作者简介

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究概况和发展趋势

1.2.1 海面几何模型

1.2.2 海面电磁散射理论

1.2.3 时变海面回波分析

1.2.4 海面及目标复合电磁散射

1.2.5 时变海面及目标回波分析

1.3 论文结构及主要工作

1.3.1 论文的研究动机与主要贡献

1.3.2 论文的内容安排

第二章 二维海浪模拟

2.1 引言

2.2 海谱

2.2.1 全向海谱

2.2.2 角度分布函数

2.2.3 二维ELH海谱

2.3 二维线性海浪的模拟方法

2.3.1 线性叠加模型

2.3.2 线性过滤模型

2.4 二维非线性海浪的模拟方法

2.4.1 二阶Creamer模型

2.4.2 尖浪模型

2.5 几种海浪模型的波面与斜率分布对比

2.6 本章小结

第三章 半确定性面元散射模型与海面电磁散射系数

3.1 引言

3.2 电磁波与海浪的作用机制及散射模型

3.2.1 布拉格散射

3.2.2 非布拉格散射

3.3 半确定性面元散射模型

3.3.1 Fuks微扰解的基本公式

3.3.2 任意倾斜微粗糙小面元的散射

3.3.3 面元散射模型的建立

3.3.4 近掠入射区的遮挡修正

3.4 二维海面的单双站散射系数

3.4.1 单站散射系数

3.4.2 双站散射系数

3.5 散射强度空间分布与SAR成像应用

3.6 本章小结

第四章 毛细波相位修正面元散射模型与海面电磁散射场

4.1 引言

4.2 基于相对路径相位假设的散射场模型

4.2.1 小面单元模型的物理描述

4.2.2 基于相对路径延迟的相位假设

4.2.3 海杂波幅度的模拟与验证

4.3 毛细波相位修正面元散射模型

4.3.1 关于简化毛细波的假设

4.3.2 关于简化毛细波的幅度和方向

4.3.3 毛细波相位修正的解析形式推导

4.3.4 简化小面元的散射场与验证

4.3.5 海面总场模型的建立

4.4 二维海面的单双站散射系数

4.5 本章小结

第五章 微波高频段海面雷达回波的多普勒谱模拟与分析

5.1 引言

5.2 CWMFSM时变散射模型的建立

5.2.1 重力波谱与毛细波谱的划分

5.2.2 二维大尺度时变海面模拟

5.2.3 时变散射模型与多普勒谱计算

5.3 基于CWMFSM散射模型的多普勒谱模拟

5.3.1 面元尺寸选取对多普勒谱的影响

5.3.2 极化方式对多普勒谱的影响

5.3.3 风速对多普勒谱的影响

5.3.4 风向对多普勒谱的影响

5.4 本章小结

第六章 海面及其上目标电磁散射高频混合分析方法

6.1 引言

6.2 三维电大目标散射的等效边缘电磁流方法

6.3 目标与粗糙面耦合散射的传统多路径模型

6.4 复反射系数修正多路径模型

6.4.1 粗糙海面前向复反射系数模型

6.4.2 算例分析

6.5 目标与海面耦合散射的加权多路径模型

6.5.1 粗糙海面的镜像反射单元及其斜率分布

6.5.2 加权多路径模型

6.5.3 算例分析

6.6 本章小结

第七章 时变海面及其上目标电磁散射与多普勒谱

7.1 引言

7.2 船舶在波浪上的运动理论与仿真

7.2.1 船舶在波浪上运动的六自由度模式

7.2.2 六自由度运动方程及切片法求解理论

7.2.3 幅值响应算子及确定波面轮廓上的船舶运动建模方法

7.2.4 仿真算例

7.3 二维时变海面及其上运动船体的雷达回波模拟

7.3.1 模型参数及仿真流程

7.4 二维时变海面及其上运动船体的回波多普勒分析

7.5 本章小结

结束语

致谢

参考文献

附录A

攻读博士学位期间的研究成果与科研项目