基本信息

書名：海麵目標雷達散射特性與電磁成像

定價：128.0元

作者：張民

齣版社：科學齣版社

齣版日期：2015-07-01

ISBN：9787030452610

字數：450000

頁碼：

版次：1

裝幀：平裝

開本：16開

商品重量：0.4kg

編輯推薦

《海麵目標雷達散射特性與電磁成像》適閤從事雷達設計與評估、微波遙感、雷達目標與環境特性、電磁成像算法與圖像理解的相關科研工作人員閱讀，也可作為高等學校相關專業研究生的教學參考用書。

內容提要

《海麵目標雷達散射特性與電磁成像》共七章，詳細闡述瞭海麵的幾何建模、海麵的電磁散射建模、海麵的電磁散射動態特性分析、海麵目標的復閤電磁散射特性、動態海麵上運動艦船目標的電磁散射特性與多普勒譜分析、波浪破碎和船首波復閤電磁散射模型和海麵及其上方艦船復閤的SAR仿真等內容。《海麵目標雷達散射特性與電磁成像》力求做到詳細描述實際動態海麵上艦船等目標全尺寸高頻電磁散射的新模型和SAR成像仿真算法，將海麵目標雷達散射特性和SAR成像中的新概念、新模型、新算法介紹給讀者，使讀者能夠通過《海麵目標雷達散射特性與電磁成像》的學習掌握海麵環境雷達目標特性和SAR成像的本質，靈活解決實際工程問題。

目錄

作者介紹

文摘

'章海麵幾何建模
準確描述海麵的幾何特徵和統計特性是基於計算電磁學研究海麵目標雷達散射特性的重要基石，由於海浪的復雜性和時變特性，基於動態海麵的仿真成為具有挑戰性的難點。在實際中，海浪通常是水-氣界麵的波動運動的錶現，在風力驅動作用下産生和成長，並在重力作用下於海麵上自由傳播。風作用於波浪稱為風浪，當風與浪的作用相對減弱，即風浪位於風區外部時，受慣性和重力的作用，波浪繼續保持運動，而被稱為湧浪。在通常情況下，人們所指的海浪就是風浪和湧浪［1］。風浪直接受風力作用，波形極不規則，傳播方嚮也不斷變化。海麵的風速和風嚮都是隨時間和空間位置變化的，帶有很強的性，海浪既然大都由風産生，勢必反映齣這種特點，因此外觀上看通常是雜亂無章的，其波高、波長和周期等物理量都可視為量。因此，統計方法就成為分析海麵結構和傳播特性的必要手段。長期以來人們利用風或造波機在水槽中模擬海浪，但其缺點是無法描述海浪的細節成分並且成本代價過高。近年來由於計算機及其硬件設備的迅猛發展，數值模擬進行海麵幾何建模具有費用低，且特彆適用於復雜過程等優點，日益成為研究海浪理論及其應用問題的有力工具。
本章首先對海譜的相應知識進行瞭介紹，在此基礎上，采用目前主流的建模方法進行多種類型海麵的空間幾何建模，實現對海麵幾何構造較為的刻畫，以滿足針對不同類型海麵幾何場景的理論研究需要。幾種方法各有特色，可以根據實際需要酌情選用適閤的建模方法。
1.1海譜
在對動態海麵的特性進行統計描述的過程中，海譜是重要且基本的物理量。海譜定義為海麵起伏高度相關函數的傅裏葉變換(Fourier transform)，是構成海浪的各諧波分量相對於空間頻率和方位分布的直接反映，是描述粗糙海麵基本的二階統計量，因此又可稱為功率譜。對於二維海麵，風嚮的因素會使海譜呈現齣各嚮異性，而方嚮譜的引入則可以將這種各嚮異性的特點在建模過程中良好地體現齣來。
二維海譜通常可以錶示為
其中，Ψ(k)錶示全嚮海譜，也稱為一維譜;Φ(kx，ky)為角度分布函數，也被稱為方嚮譜。
二維海譜的錶示形式有S(k，φ)，S(ω，φ)和S(kx，ky)三種，其中k為海浪波數;kx和ky分彆為k沿x方嚮和y方嚮上的分量;ω為海浪的空間角頻率;φ為海麵上方風嚮和觀察方嚮之間的夾角。
kx=kcosφ，ky=ksinφ(1-2)
若考慮構成波浪的重力波長波成分和張力波短波成分並忽略波浪之間的非綫性相互作用，k和ω可以通過色散關係進行轉換，即ω2=gk(1+k2/k2m)(1-3)
其中，k2m=gρ/τ；g是重力加速度；ρ(kg/m3)為海水密度；τ(N/m)為海麵張力。
km的計算值一般為363rad/m。從式(1-3)可知，對於海浪成分中的重力波部分，ω2≈gk，主要由重力決定；對於毛細波部分，ω2≈gk3/k2m，式(1-3)主要由錶麵張力決定。
基於統計理論，對上述功率譜密度的積分即可代錶相應海況下海浪的能量，所以在相同海況下，不同錶示形式的海譜對應統一相等的能量，因此上述三種海譜錶示形式可以有如下轉換關係，即
從20世紀50年代至今，外眾多學者提齣一係列海譜模型，包括功率譜和角度分布函數，在此不一一贅述，隻給齣幾種在工程領域和實際應用過程中較常用的海譜模型。
1.1.1功率譜
1. PM譜
20世紀60年代，Pierson和Moscowitz對北大西洋的觀測風浪記錄進行瞭譜估計及後續的分析總結，於1964年給齣瞭Pierson-Moscowitz譜，簡稱PM譜［2］，即
其中，α=8.1×10-3；β=0.74；ω錶示海浪的空間頻率；Ψ(ω)為海譜值；g=9.81m/s2為重力加速度；U19.5為海麵上方19.5m高度處的平均風速，單位為m/s。利用式(1-3)的色散關係和式(1-4)的轉換關係式，可以得到對應的自變量為波數k錶示的PM譜，即
基於統計學原理，海麵高度起伏的均方根高度可以通過對海譜進行積分得到，即δ
相關長度為l=3πU219.58gπ2β≈0.175U219.5(1-8)海洋學上常用到的有效波高也可以近似得到，即
由於PM譜能量集中在較小的波數或頻率範圍內，為單峰譜，所以可對譜函數求導，令導數為零得到譜取峰值時所對應的波數或圓頻率，即
對應的譜峰值為
通過計算可以得到生成海浪的主波長，即
下麵通過圖示來瞭解PM譜的譜特性。
圖1.1和圖1.2分彆給齣瞭不同風速下的PM譜隨波數及圓頻率的變化分布情況。可以發現：PM譜是單峰窄帶譜，能量分布在相對集中的頻段，風速越高，能量越集中，譜峰越尖銳；風速越大，譜綫下對應的麵積，即海浪能量越大，而且譜峰位置嚮低頻移動。這些現象反映齣隨著風速的增加，海浪中的長波成分不斷成長，而這些波長較長的波浪成分也承載著主要的海浪能量。
圖1.1不同風速下的PM波數譜
圖1.2不同風速下的PM頻率譜
PM譜是充分成長狀態的穩態海浪頻譜，雖然它是由觀測數據得到的經驗譜形式，但是符閤傅裏葉譜的定義。由於其數據基礎好，數學形式簡單，便於分析處理，也使得自20世紀60年代以來，PM譜在海浪研究等相關工程領域得到長時間的廣泛應用，並被國際船模試驗池會議(ITTC)推薦為標準，充分發展穩態海譜。
2. JONSWAP譜
不同於PM譜，JONSWAP譜是在德、英、美、荷等國相關組織於20世紀60年代末期進行的聯閤北海波浪計劃(Joint North Sea Wave Project，JONSWAP)係統測量基礎上提齣的，該觀測計劃也是迄今為止對海浪為係統的觀測。由測量記錄估計瞭2500個譜，利用這些在不同風速和風區下測得的譜數據經過統計分析和擬閤，由此得到JONSWAP非穩態海譜模型［3］，它被認為是國際標準海洋譜，即
其中，g為重力加速度；ω0為峰頻率；γ=YJmax/YPMmax為峰升高因子；YJmax為譜峰值；YPMmax為PM譜的峰值(γ的觀測值可在1.5至6之間浮動，均值為3.3)；σ稱為峰形參數。
尺度係數α=0.076-0.22，無因次風區=gX/U210，X為風區，U10為海麵上方10m高度處的平均風速。
與PM譜相比，JONSWAP譜是受限於風區狀態的非穩態海浪譜，α、ω0和γ等的取值均與風速和風區有關。相關研究錶明［4］，隨著α和γ取值的不同，式(1-13)可對應為不同類型風浪的譜函數，如α=0.01，γ=3.3對應非充分發展JONSWAP譜；α=0.0081，γ=1對應充分發展海浪譜(退化為PM譜形式)；α=(4，2，1，0.25)×10-3，γ=10對應不同能量級的湧浪譜。
圖1.3給齣瞭JONSWAP譜隨風速變化的成長過程，風區為40km。圖1.4給齣瞭JONSWAP譜相對於風區的成長過程，風速為8m/s。不難發現，風速對JONSWAP譜的影響同對PM譜的影響類似。隨著風速的增長，譜峰位置嚮低頻移動。在相同風速下，風區的擴大使得JONSWAP譜譜綫下的麵積有所增加，即海浪能量明顯增強。
圖1.3不同風速下的JONSWAP譜
圖1.4不同風區下的JONSWAP譜
研究錶明，即使在颶風條件下，JONSWAP譜仍適用，但譜中的個彆參量與風速和風區的關係要進行相應的改變。相較於PM譜（隻能在風速小於20m/s情況下使用），JONSWAP譜更具有優勢，因此對工程應用問題更具實際意義。
3. Elfouhaily譜
相較於PM譜和JONSWAP譜等，Elfouhaily譜可以稱為比較年輕的海譜，是Elfouhaily等對PM譜、JONSWAP譜和Philips譜等海譜進行修正和融閤之後提齣的一種統一海譜模型。該譜於1997年基於水池實驗測量數據提齣，與遙感數據無關［5］。作為全波數譜，Elfouhaily譜由低頻部分(重力波)和高頻部分(張力波)組成，可以錶示為
其中，Bl為長波(重力波)麯率譜;Bh為高頻張力波麯率譜。
其中，c(k)=g(1+k2/k2m)/k為波的相速度；km=363rad/m；kp=gΩ2/U210為譜峰值所對應的波數；αp=6×10-3Ω，逆波齡Ω=U10/c(kp)為Elfouhaily譜中反映波浪成長狀態的參數，是風速與譜峰處相速度的函數。對於重力波，波齡對於更好地描述海麵是必需的，即Fp=LPMJpexp-Ω(k/kp)1/2-1/10(1-17)
LPM為PM譜形參數
為峰增強因子高頻張力波麯率譜Bh為
其中，uf(cm/s)為摩擦風速，同海麵上方zm高度處的風速Uz(cm/s)有如下換算關係，即
圖1.5給齣瞭Elfouhaily譜的低頻部分k-3Bl和高頻部分k-3Bh，以及總譜和相應的麯率譜隨風速變化的情況。可以看齣，隨著風速增大，無論Elfouhaily譜的低頻部分還是高頻部分，譜峰值都往低頻方嚮移動。但低頻部分k-3Bl在低波數頻域內受風速的影響較明顯，張力波部分對應的能量增加並不明顯；高頻部分k-3Bh在全波數範圍內受風速的影響都比較明顯，譜能量的增加在重力波部分和張力波部分都比較顯著。這些特點與前述的海譜有所不同，反映齣Elfouhaily譜對波浪的低頻和高頻成分的描述更加細緻有效。圖1.5(d)所示為麯率譜隨風速的變化，麯率譜峰值隨風速增大而增長。值得注意的是三種風速情況下，二級重力波-毛細波峰均位於波數值km處。這是由於風和波長更長的波浪對重力波-毛細波進行的水動力學和空氣動力學調製在小相速度處纔會産生大的影響，而小相速度所對應的波數為km。
圖1.5不同風速下的Elfouhaily譜
1.1.2角度分布函數
角度分布函數反映海浪不同方嚮、頻率的組成波相對於風嚮的能量變化。迄今已提齣的角度分布函數遠較全嚮譜少，主要原因為其觀測方法和數據處理相對睏難。這裏分彆介紹三種常用的角度分布函數。
Longuet-Higgins等［6］曾提齣被廣泛使用的單邊餘弦形式，即
其中 (1-27)
式中，Δ(k)稱為逆側風比例因子，Mitsuyasu［7］、Donelan［8］、Fung［9］等均給齣瞭不同的形式，一般與風速和波浪相速度有關。
為方便，這裏我們選用Elfouhaily給齣的錶達形式，詳見式(1-31)。
對應JONSWAP譜，Brüning等［4］提齣如下雙邊角度分布函數，即
其中，為伽馬函數，指數p定義為
式中，pm=11.5U19.5/c(km)-2.5。針對Elfouhaily譜，Elfouhaily也給齣瞭雙邊函數形式，其錶達式為
其中
圖1.6給齣瞭對應式(1-25)、式(1-28)和式(1-30)的角度分布函數。可以看齣，雖然這三種分布函數均不能反映順風和逆風兩種情況下的差異性，但圖1.6(a)所
圖1.6不同形式的角度分布函數（k=0.3，x=30km，U10=5m/s）
示的單邊譜形式濾除瞭與主波能量傳播方嚮相反方嚮的大部分貢獻，從而允許被用來模擬順逆風兩種方嚮傳播的海麵。雖然單邊譜形式仍然不能反映順逆風方嚮傳播波成分的能量差異，但這種形式更加適閤用來模擬具有確定海浪方嚮的海麵。因此，這種單邊譜形式在工程上也被廣泛采用，如造波池設計［10］、船舶耐波特性分析［11］等。
1.2雙疊加模型
由Longuet-Higgins波浪理論可知，平穩海況下的海浪可以被視為各態曆經的平穩過程。在某個固定時刻，海麵上某個固定方位點的波動水麵瞬時高度由多個振幅、頻率和初始相位均不相等的餘弦波疊加而成。盡管這種簡單疊加近似的海麵模型不能反映真實海麵中長波與短波的相互作用，但是相關研究人員通過觀察分析認為，在數值計算和物理實驗中該模型是可行的［12］。以一維海麵為例，根據雙疊加模型，假定某時刻t，海上一個固定點的水麵波動可以用多個餘弦波疊加來描述，並假定隻在平麵內産生波浪，且波浪沿固定方嚮傳播，則海麵上某一點的高度起伏z=h(x，t)可錶示為
其中，x和t分彆錶示海麵上離散點位置和時間；h(x，t)為相應的水麵波動瞬時高度；ai為第i個組成波的振幅，即
式中，ωi、ki和εi分彆為第i個組成波的圓頻率、波數和初始相位，此處εi取為0～2π的變量。
為瞭能夠産生平麵上多個方嚮的子波'

序言