高海况海洋环境电磁散射特性分析与SAR图像仿真

电磁波照射在风驱海面上产生的散射回波包含了丰富的海表面信息，如海水温度、盐度、风速等，因此海面电磁散射特征为海洋遥感信息的提取奠定了基础。此外，从海上目标探测角度考虑，随着雷达技术的发展，雷达的功能除了检测和测量目标坐标以完成对目标的监测和跟踪外，还要求能对目标类型进行分类和识别，海表面回波作为杂波则会对目标信息产生影响，甚至产生虚警等现象，从而制约着雷达对目标探测的能力。基于这些原因，开展海洋环境电磁散射特征的研究对海洋环境遥感、海上目标监测识别等有着重要的意义。在低海况下，海上波浪主要的散射机制有布拉格散射、镜像反射等。然而在高海况下，根据实测雷达的回波特征，海面后向散射场强度在大入射角度下与传统布拉格散射和镜像反射机制预估出来结果并不相符，尤其对于水平极化情形，甚至出现反常的现象。这些反常现象主要有海尖峰、大水平极化与垂直极化比和大多普勒平移及带宽等。为此，则需要新的合理的散射机制对这些反常现象进行解释。通过一系列的实验观测表明当风速到达一定程度时，海上部分波浪将会发生破碎，而破碎波则是产生这些反常现象的主要原因。破碎波的散射特征的分析并不是传统的布拉格散射和镜像反射能够解释的，因此本项目则致力于建立一个适用于分析不同海况下电磁散射特征的模型。

为达到此目的，以往的方法主要是借助统计规律，结合海浪破碎波的覆盖率，通过加权平均的方法对海面的整体雷达散射截面(radar cross section, RCS)进行修正，从而得到整个场景的RCS。然而此方法仅可计算整个场景总的RCS，而不能得到各个位置处的散射场信息，也即场景的空间分布场。然而随着雷达技术的发展，雷达分辨率有了显著的提升，此时空间分布场信息在目前高分辨雷达探测体制下显得尤为重要。为了解决这个问题，我们采用了蒙特卡罗方法结合实测海浪谱进行海面建模，此方法生成的海面几何是以离散面元的形式得到的。接下来便有两个需要解决的问题，一是“量”的问题，也即海面上存在多大范围的破碎波，这些破碎波存在于什么位置；二是破碎波的几何模型如何建立，其散射特性如何分析。聚焦于这两个问题，本工作结合实测的海上破碎波覆盖率判断海上破碎波的范围，利用斜率判据判断仿真的海面上破碎波存在的位置，由此可将海面划分为破碎区域和非破碎区域，这为下一步进行空间分布散射场分析奠定了几何基础。对于其几何模型，实际的海面上破碎波的形状尺寸各异，然而由于工作的重心是散射特征，所以本成果在实测破碎波的模型的基础上，根据其散射机理，通过保留主要散射特征进行简化得到了一个三维的破碎波几何模型。而三维模型的几何参数则是根据已有文献中的实测破碎波特征参数的统计结果得到。

在几何模型的基础上，便可对每个面元进行散射特性分析。对于非破碎位置的面元，采用了毛细波修正面元散射模型(capillary wave modified facet scattering model, CWMFSM)。此模型是在经典微扰解的基础上根据海面的布拉格散射机理改进得到的，此方法突破了海面的离散尺寸需要满足八分之一波长的限制，使得高频电大场景海面的散射特性的分析成为可能。此外，此方法不仅可以得到各个面元散射场的幅度信息，同时也可以得到其相位信息，这为之后其在合成孔径雷达(synthetic aperture radar, SAR)图像仿真中的应用奠定了基础。而对于破碎区域的海面，以往的工作往往分析一维破碎波的散射或者将破碎波简化为平面劈模型，而本成果则是基于实际模型的合理简化，使得模型本身更加符合实际环境。此时，借助CWMFSM和 Ufimtsev边缘波绕射理论分别计算非破碎海面区域各面元的散射场和破碎区域海面的面元散射场，由此便可得到一个完整的适用于分析含破碎波海面散射的电磁模型。另外，由于在判断破碎波分布范围和位置时，考虑了风速的影响，因此该模型在高海况和低海况下均有非常好的可靠性。

此模型面元的离散间隔突破了其他方法（如小斜率近似方法等）要求离散尺寸小于八分之一波长的限制，从而实现了电大尺寸海面从L波段到Ka波段散射特性分析。此外，由于其采用了面元划分的思想，不同位置处面元均可得到包含幅度和相位的散射信息，使得此模型可以用于海洋环境及其上舰船目标复合电磁散射特性的分析中，还可以应用在海面空间分布散射特征分析、海杂波统计特征分析及SAR图像特征仿真分析中，可为对海高分辨观测、强海杂波背景条件下的隐身目标探测以及多种隐蔽、伪装、欺骗目标的发现、识别和确认、微弱信号检测和杂波抑制等技术提供指导，从而为雷达杂波模拟器、现代高分辨海事雷达等的设计奠定了理论基础。此外，此模型得到的SAR图像特征与New Jersey 海岸的实测海洋内波图像表现出相似的特征，表明此模型也可进一步应用在海上内波特征分析及遥感中。

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