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《西安电子科技大学》 2019年
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面向应用的海面场景电磁散射模型研究

李金星  
【摘要】:主动式微波遥感技术在复杂海洋环境监测、海上目标探测识别等方面有着举足轻重的地位,深入地开展微波频段海面环境及其上舰船目标的复合散射特性的研究工作有助于理解其回波特征和图像特征,进而为目标探测识别技术提供数据和理论支撑,因此此项研究工作一直是微波遥感领域的重点之一。本文面向实际工程应用,开展了海面及其上目标复合散射建模与特性分析工作,主要研究成果如下:从散射模型简化和几何建模两方面出发,分别提出了两种研究微波频段电大尺寸海面散射特性的方法,即基于面元的简化小斜率近似方法(Facet-based Simplified Small Slope Approximation,FBS-SSA)和基于谱分解/矩阵分解的粗糙面建模方法。对于FBSSSA,其主要思想是基于镜向反射机制和Bragg散射机制对一阶小斜率近似模型进行简化。FBS-SSA突破了原始一阶小斜率近似模型中面元尺寸需要小于八分之一波长的限制,从而实现了海面散射特性的高效分析。此外,与原始方法的数值结果对比表明了FBS-SSA的有效性。对于谱分解/矩阵分解方法,其主要思想为将海谱划分为低频谱和高频谱两部分,利用低频谱生成大尺度重力波成分时,将二维逆傅里叶变换操作分解成两个维度的一维逆傅里叶变换操作,并且由于低频谱成分对应的矩阵尺寸较小,从而显著降低内存消耗。此外,高频谱对应的小尺度波成分的生成可按照不同区域进行。基于此方法生成的粗糙面具有与原始方法一致的谱特性和散射特性,计算结果表明了此方法在不降低计算效率的同时可以显著降低内存消耗并保持计算精度。这两种思想奠定了微波频段粗糙电大尺寸海面电磁散射特性分析的基础。相比于单极化海面回波信号,全极化回波包含更加丰富的信息,因此海面环境全极化散射特性的分析对于海洋环境遥感和目标探测识别具有重要的应用价值。为此,本文分别在二阶小斜率近似、双尺度方法和Bragg谐振散射机制基础上,提出了适用于分析电大尺寸海面同极化和交叉极化散射特性的全极化面元散射模型(Fullpolarized Facet based Scattering Model,FPFSM),使得其可以准确地计算海面的全极化散射特性,并且具有高效率、低存储消耗等优势。对于高海情海面场景,传统的Bragg谐振机制难以解释其在大入射角度下的大极化比、海尖峰等异常现象。为此,本文通过引入破碎波的散射对面元模型进行修正,建立了考虑破碎波影响的高海情海面电磁散射模型。对于本文的破碎波模型,其几何结构是在保留实际破碎波结构的主要散射机制基础上简化而来,其位置分布由斜率判据获得,与实测破碎波覆盖率吻合较好,从而保证了模型的可靠性。此外,由于此模型考虑了风速对破碎波分布的影响,因此适用于不同海况下海面电磁散射特性分析、杂波特征分析中。对于海面及其上目标复合场景散射问题,建立了基于FBS-SSA与几何光学/物理光学(Geometrical Optics and Physical Optics,GO/PO)方法的面元化散射模型,此方法考虑了海面与目标之间的耦合散射作用,因此可以可靠地分析复合场景的散射特征。此外,由于其面元化的思想,使得可以用于复合场景的合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)回波生成和高分辨图像仿真中。在此基础上,结合破碎波几何与散射模型,通过引入散射路径,开展了高海情海面与其上目标复合场景的散射特征分析工作,探究了破碎波存在对耦合散射场和总场的影响。针对实际环境中存在多船目标的问题,在FBS-SSA与GO/PO方法的基础上,建立了超电大场景海面与其上多目标复合散射模型。其中,基于FBS-SSA提出了一种更为高效简便的分析海面直接散射场的方法。对于耦合散射场,依据雷达工作参数与目标尺寸,将海面分割为耦合区域和非耦合区域,显著地降低计算中的遮挡判断数据量并提高计算效率,从而为公里量级海面及其上多舰船目标复合散射特性分析奠定基础。对于海上运动舰船目标,由于舰船的运动使得其SAR图像往往存在着位置偏移、散焦等现象。为消除SAR图像中由于目标运动带来的影响,基于舰船尾迹的持续时间长、存在范围广且与舰船目标运动状态有关等特点,本文结合舰船尾迹反演了目标运动速度并进一步提出了SAR图像校正的方法。由于校正后的图像具有更好的聚焦效果,从而促进海洋环境中舰船目标探测、分类、识别的开展。
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