李金星, 江旺強(qiáng), 魏鵬博， 張 民

(西安電子科技大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院，西安 710071)

0 引言

電磁波照射在海洋環(huán)境上產(chǎn)生的散射回波包含了豐富的海表面信息和目標(biāo)信息，因此海面電磁散射特征為海洋遙感信息的提取奠定了基礎(chǔ)。此外，從海上目標(biāo)探測(cè)角度考慮，隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，雷達(dá)的功能除了檢測(cè)和測(cè)量目標(biāo)坐標(biāo)以完成對(duì)目標(biāo)的監(jiān)測(cè)和跟蹤外，還要求能對(duì)目標(biāo)類型進(jìn)行分類和識(shí)別，海表面回波作為雜波則會(huì)對(duì)目標(biāo)信息產(chǎn)生影響，甚至產(chǎn)生虛警等現(xiàn)象，從而制約著雷達(dá)對(duì)目標(biāo)探測(cè)的能力，因此需要將目標(biāo)與其所處的環(huán)境放在一起考慮?；谶@些原因，開展海面及其上艦船目標(biāo)復(fù)合場(chǎng)景電磁散射特征和合成孔徑雷達(dá)(synthetic aperture radar, SAR)圖像仿真研究對(duì)海洋環(huán)境遙感、海上目標(biāo)監(jiān)測(cè)識(shí)別等有著重要的意義。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于海面與艦船目標(biāo)復(fù)合場(chǎng)景電磁散射模型可歸納為3種：數(shù)值方法[1-4]、高頻近似方法[5-14]、高低頻混合算法[15-17]。數(shù)值算法和高低頻混合算法雖然可以有很好的計(jì)算精度，然而在求解實(shí)際工程中電大尺寸海面與艦船復(fù)合場(chǎng)景的電磁散射問題時(shí)，受到計(jì)算資源和效率的制約，因此高頻近似方法在此類問題中被廣泛采用。Johnson等[5]提出了4路徑模型，通過將粗糙面簡(jiǎn)化為無限大平面，并考慮鏡像方向上的相互作用代替目標(biāo)與背景之間的耦合作用，通過將4種路徑散射場(chǎng)疊加得到總散射場(chǎng)。Burkholder等[6]結(jié)合彈跳射線方法(shooting and bouncing ray, SBR)和迭代物理光學(xué)方法研究了海上目標(biāo)的復(fù)合散射問題。Yang等[7]在SBR和物理光學(xué)方法(physical optics, PO)的基礎(chǔ)上引入格林函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了半空間上目標(biāo)復(fù)合散射問題的分析，其計(jì)算精度相對(duì)于傳統(tǒng)的SBR-PO方法有所提升。Dehkhoda等[8]提出了一種PO-PO混合方法求解一維粗糙海面上二維艦船目標(biāo)電磁散射特性問題。國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者也對(duì)此類問題進(jìn)行了大量研究并取得了巨大的進(jìn)展。復(fù)旦大學(xué)金亞秋院士和徐豐教授等[9]提出的雙向解析射線追蹤方法在海面與艦船散射特性的分析中具有較高的可靠性。北京航空航天大學(xué)的許小劍教授等[10]通過考慮多徑效應(yīng)，利用高頻算法開展了海上目標(biāo)在不同海況和雷達(dá)參數(shù)下的電磁散射特性分析工作。西安電子科技大學(xué)的張民教授等[11-13]基于面元的思想，提出了一系列適用于分析電大尺寸海面、目標(biāo)及船海復(fù)合散射特性的電磁模型。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，微波頻段下船海復(fù)合場(chǎng)景的電大特性、海面的時(shí)變特性、船海耦合散射的復(fù)雜性對(duì)海面與艦船復(fù)合電磁散射模型計(jì)算效率與計(jì)算精度提出了新的要求，特別是對(duì)于復(fù)合場(chǎng)景SAR圖像仿真與特征分析的相關(guān)應(yīng)用。為此課題組提出了用于分析其散射特性的面元化方法，此方法將復(fù)合場(chǎng)景的總散射場(chǎng)分為海面直接散射場(chǎng)、目標(biāo)直接散射場(chǎng)以及船海之間的耦合散射場(chǎng)3部分貢獻(xiàn)，針對(duì)于3種貢獻(xiàn)，課題組分別提出了計(jì)算海面散射場(chǎng)的毛細(xì)波修正面元散射模型(capillary wave modified facet-based scattering model, CWMFSM)，面元化的簡(jiǎn)化小斜率近似模型(facet-based simplified small slope approximation, FBS-SSA)以及針對(duì)高海情海面的考慮破碎波影響的面元化散射模型；針對(duì)電大尺寸目標(biāo)散射提出了幾何光學(xué)/物理光學(xué)混合算法(geometrical optics and physical optics, GO/PO)及其加速實(shí)現(xiàn)方案；針對(duì)船海復(fù)合場(chǎng)景提出的面元散射模型與GO/PO混合方法，可應(yīng)用于海雜波特性仿真分析、電大尺寸目標(biāo)雷達(dá)特性分析、目標(biāo)及船海復(fù)合場(chǎng)景高分辨SAR圖像仿真與目標(biāo)探測(cè)等，對(duì)于海上艦船目標(biāo)特征分析和分類識(shí)別能力的提升有著重要意義。

1 海面與目標(biāo)電磁散射建模技術(shù)

1.1 毛細(xì)波修正面元散射模型

按照經(jīng)典的復(fù)合表面散射理論，海浪可視為由大尺度重力波和小尺度的毛細(xì)波組成。在微波高頻段，根據(jù)Bragg諧振理論，探測(cè)雷達(dá)只對(duì)那些空間波長(zhǎng)滿足諧振條件且傳播方向沿著雷達(dá)視向傳播的毛細(xì)波成分“感興趣”，這些波產(chǎn)生的貢獻(xiàn)占據(jù)雷達(dá)回波的主要部分。這種散射機(jī)理被廣泛用來預(yù)估較低海況下的海面雷達(dá)回波。

基于上述思想，將海表面劃分為離散小面元，在Fuks微擾解積分的基礎(chǔ)上，對(duì)于其散射相位項(xiàng)，課題組結(jié)合Bragg散射機(jī)理，提出了“簡(jiǎn)化毛細(xì)波表示”的思想[18]，實(shí)現(xiàn)了任意傾斜微粗糙小面元散射場(chǎng)解析表達(dá)式的求解，提出了毛細(xì)波修正面元散射模型。圖1給出了真實(shí)海浪在Bragg諧振下的簡(jiǎn)化思想，其基本原理是當(dāng)電磁波照射海面時(shí)，將與海面微尺度結(jié)構(gòu)發(fā)生諧振。產(chǎn)生諧振的波成分滿足以下兩個(gè)條件：1)傳播方向沿雷達(dá)觀測(cè)方向；2)波長(zhǎng)滿足諧振條件。因此，對(duì)于海上一面元，可將其真實(shí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為滿足一定波長(zhǎng)和傳播方向的單色余弦波，從而既可以保留主要散射貢獻(xiàn)以確保計(jì)算精度，同時(shí)又可選取較大的離散面元尺寸實(shí)現(xiàn)計(jì)算效率的提升。該方法在分析海面中等入射角度單、雙站全極化散射特性、多普勒譜特征方面具有較高的精度。圖2、圖3分別給出了該方法在海面散射系數(shù)預(yù)估和多普勒特征分析中的應(yīng)用。此外，該方法采用的大離散面元尺寸為大幅寬海面全極化散射特性分析奠定了基礎(chǔ)。另一方面，CWMFSM的表達(dá)式中不僅包含了面元的散射幅度，同時(shí)還能夠體現(xiàn)其散射場(chǎng)相位信息，因此可以進(jìn)一步應(yīng)用于海雜波統(tǒng)計(jì)特性分析、海上目標(biāo)復(fù)合散射特性分析及SAR圖像仿真中。

圖1 毛細(xì)波的簡(jiǎn)化表示方法Fig.1 Simplified representation of capillary wave

圖2 海面雙站散射系數(shù)隨散射角變化曲線(Ku波段)Fig.2 Bistatic scattering coefficient of sea surface varying with scattering angle (Ku Band)

圖3 海面不同極化及入射角下的多普勒譜(X波段)Fig.3 Doppler spectrum of sea surface for different polarizations and incident angles (X Band)

1.2 面元化的簡(jiǎn)化小斜率近似方法

FBS-SSA模型[19]是在一階小斜率近似(First order small slope approximation, SSA-I)[20]的基礎(chǔ)上，結(jié)合不同雷達(dá)角度下的電磁散射機(jī)理，通過對(duì)真實(shí)的海面結(jié)構(gòu)進(jìn)行化簡(jiǎn)得到的。傳統(tǒng)的小斜率近似方法在開展電大尺寸海面散射特性問題求解時(shí)，往往面臨著計(jì)算效率低、內(nèi)存消耗高等問題。為此，課題組通過分析不同入射角度下海面的電磁散射機(jī)理，提出了基于面元的簡(jiǎn)化小斜率近似方法。該方法在原始一階小斜率近似的基礎(chǔ)上，在鏡向區(qū)域和漫散射區(qū)域，分別基于鏡面反射機(jī)制和Bragg諧振機(jī)制對(duì)一階小斜率近似進(jìn)行化簡(jiǎn)，提出了適用于分析不同雷達(dá)角度下海面單、雙站同極化散射特性的FBS-SSA方法。該方法對(duì)于海面面元離散要求可遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)，因此相對(duì)于SSA-I，將計(jì)算效率提升了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。此外，此方法在L波段到Ka波段均具有較好的計(jì)算精度，從而為分析不同雷達(dá)波段下海洋環(huán)境電磁散射問題奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。此外，與CWMFSM相似，此模型也能夠描述海上各個(gè)位置處的散射場(chǎng)幅度與相位信息，從而具有較廣的應(yīng)用范圍。

圖4給出了FBS-SSA計(jì)算的海面后向歸一化雷達(dá)散射截面(normalized radar cross section, NRCS)與原始SSA-I和雙尺度模型(two scale model, TSM)的對(duì)比，其中雷達(dá)頻率為8.91GHz，海面風(fēng)向?yàn)轫橈L(fēng)，海上10 m高度處風(fēng)速為5 m/s。計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了FBS-SSA方法在分析海面散射特性中的可靠性。

圖4 FBS-SSA預(yù)估的后向NRCS與原始SSA-I和TSM對(duì)比Fig.4 Back scattering NRCS comparison among FBS-SSA, SSA-I and TSM

另外，表1中對(duì)比了FBS-SSA與原始SSA-I的計(jì)算效率，計(jì)算時(shí)間是80個(gè)入射角度下的總耗時(shí)，其中鑒于SSA-I的內(nèi)存消耗，利用該方法計(jì)算的海面尺寸較小。從對(duì)比可以看出FBS-SSA模型相對(duì)于SSA-I計(jì)算效率顯著提升，從而使得超電大尺寸海面的電磁散射特性高效率分析和復(fù)雜海洋環(huán)境雷達(dá)信號(hào)仿真成為可能。

表1 FBS-SSA方法與原始SSA-I方法在單站散射情形下計(jì)算效率對(duì)比

圖5給出了Ku波段利用FBS-SSA計(jì)算的不同入射角度和風(fēng)速情況下的海雜波序列的歸一化概率密度函數(shù)(probability density function, PDF)。與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比[21]表明了FBS-SSA方法在分析時(shí)變海面雜波特性中的有效性。

圖5 海雜波PDF的仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比Fig.5 Comparison of sea clutter PDF between simulation and measured data

1.3 高海情海面電磁散射模型

在低海況下，海上波浪主要的散射機(jī)制有布拉格散射、鏡像反射等。然而在高海況下，根據(jù)實(shí)測(cè)雷達(dá)的回波特征，海面后向散射場(chǎng)強(qiáng)度在大入射角度下與傳統(tǒng)布拉格散射和鏡像反射機(jī)制預(yù)估出來結(jié)果并不相符，尤其對(duì)于水平極化情形，甚至出現(xiàn)海尖峰、大水平極化與垂直極化比和大多普勒平移及帶寬等反常現(xiàn)象。為此，需要新的合理的散射機(jī)制對(duì)這些反?，F(xiàn)象進(jìn)行解釋。通過一系列的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)表明當(dāng)風(fēng)速到達(dá)一定程度時(shí)，海上部分波浪將會(huì)發(fā)生破碎，而破碎波則是產(chǎn)生這些反常現(xiàn)象的主要原因。破碎波的散射特征分析并不是傳統(tǒng)的布拉格散射和鏡像反射能夠解釋的，因此課題組提出了適用于分析高海況下海面電磁散射特性的模型。

針對(duì)高海情海面電磁散射，以往的方法主要是借助統(tǒng)計(jì)規(guī)律，結(jié)合海浪破碎波的覆蓋率，通過加權(quán)平均的方法對(duì)海面的整體雷達(dá)散射截面(radar cross section, RCS)進(jìn)行修正，從而得到整個(gè)場(chǎng)景的RCS。然而此方法僅可計(jì)算整個(gè)場(chǎng)景總的RCS，而不能得到各個(gè)位置處的散射場(chǎng)信息，也即場(chǎng)景的空間分布場(chǎng)。然而隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，雷達(dá)分辨率有了顯著的提升，此時(shí)空間分布場(chǎng)信息在目前高分辨雷達(dá)探測(cè)體制下顯得尤為重要。為了解決這個(gè)問題，課題組采用了蒙特卡羅方法結(jié)合實(shí)測(cè)海浪譜進(jìn)行海面建模，此方法生成的海面幾何是以離散面元的形式得到的。接下來便有兩個(gè)需要解決的問題，一是“量”的問題，也即海面上存在多大范圍的破碎波，這些破碎波存在于什么位置；二是破碎波的幾何模型及其散射特性如何分析。針對(duì)這兩個(gè)問題，課題組結(jié)合實(shí)測(cè)的海上破碎波覆蓋率判斷海上破碎波的范圍，利用斜率判據(jù)判斷仿真的海面上破碎波存在的位置，由此將海面劃分為破碎區(qū)域和非破碎區(qū)域，這為下一步進(jìn)行散射場(chǎng)空間分布分析奠定了幾何基礎(chǔ)。對(duì)于其幾何模型，實(shí)際的海面上破碎波的形狀尺寸各異，然而由于工作的重心是散射特征分析，所以在實(shí)測(cè)破碎波模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)其散射機(jī)理，通過保留主要散射特征進(jìn)行簡(jiǎn)化得到了一個(gè)三維的破碎波幾何模型。在幾何模型的基礎(chǔ)上，便可對(duì)每個(gè)面元進(jìn)行散射特性分析。對(duì)于非破碎位置的面元，采用了毛細(xì)波修正面元散射模型進(jìn)行求解。而對(duì)于破碎區(qū)域的海面，則是基于實(shí)際模型的合理簡(jiǎn)化，使得模型本身更加符合實(shí)際環(huán)境。此時(shí)，借助CWMFSM和 Ufimtsev邊緣波繞射理論分別計(jì)算非破碎海面區(qū)域各面元的散射場(chǎng)和破碎區(qū)域海面的面元散射場(chǎng)，由此便可得到一個(gè)完整的適用于分析含破碎波海面散射特性的電磁模型[22]。圖6和圖7給出了課題組建立的高海情海面電磁散射模型在海面RCS計(jì)算和雜波仿真中的應(yīng)用。

圖6 不同風(fēng)速下海面后向NRCS結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.6 Comparison of back scattering NRCS with measured data for different wind speeds

該模型的提出解決了傳統(tǒng)方法使用海況范圍低的問題，可為海高分辨觀測(cè)、強(qiáng)海雜波背景條件下的隱身目標(biāo)探測(cè)以及多種隱蔽、偽裝、欺騙目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)、識(shí)別和確認(rèn)、微弱信號(hào)檢測(cè)和雜波抑制等技術(shù)提供指導(dǎo)，從而為雷達(dá)雜波模擬器、現(xiàn)代高分辨海事雷達(dá)等設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。

圖7 不同入射角度下的時(shí)變海雜波仿真，頻率10 GHz，風(fēng)速10 m/s，帶寬187.5 MHzFig.7 Time-varying sea clutters for different incident angles with an incident frequency of 10 GHz, a wind speed of 10 m/s and a band width of 187.5 MHz

2 艦船目標(biāo)電磁散射建模技術(shù)

2.1 面元化GO/PO混合方法介紹

GO/PO混合方法是利用幾何光學(xué)法中的射線對(duì)電磁波的路徑進(jìn)行追蹤，然后利用物理光學(xué)法對(duì)所照射的區(qū)域進(jìn)行物理光學(xué)近似，最后將多次散射場(chǎng)貢獻(xiàn)相加而得到總散射場(chǎng)。該方法能夠考慮到復(fù)雜目標(biāo)中具有強(qiáng)耦合效應(yīng)(多次散射作用)的部分對(duì)于總散射場(chǎng)的影響，在目標(biāo)電磁散射特性分析中具有較高的計(jì)算精度和效率。常見的射線追蹤類方法包括SBR方法、雙向解析射線追蹤方法、面元化GO/PO混合方法等。面元化GO/PO混合模型[23]是以所剖分的面元為射線追蹤單位，相比較與前兩種方法具有計(jì)算量獨(dú)立于入射波頻率的因素，以及操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)思路如圖8所示。

圖8 面元化GO/PO混合模型實(shí)現(xiàn)過程Fig.8 Realization process of the facet-based GO/PO method

2.2 GO/PO混合方法的加速實(shí)現(xiàn)

基于面元思想的GO/PO實(shí)現(xiàn)中，面元對(duì)入射波的可見性判斷以及各面元對(duì)其他面元反射波的可見性判斷最為耗時(shí)，為此需要采用特殊的方法對(duì)此過程進(jìn)行加速。課題組分別基于KD-Tree空間樹狀層結(jié)構(gòu)加速算法和圖形遮擋方法開展了GO/PO方法的加速實(shí)現(xiàn)。

2.2.1 KD-Tree加速方法

常見的空間樹狀層結(jié)構(gòu)加速算法有OCT-Tree、BSP-Tree、KD-Tree等算法，相對(duì)于前兩種，KD-Tree算法具有分割更加靈活，分割得到的無效區(qū)域數(shù)目少及更加平衡穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。KD-Tree算法包含構(gòu)建、追蹤兩部分。對(duì)于構(gòu)建過程，首先需找到目標(biāo)的空間包圍盒，其次檢驗(yàn)當(dāng)前所分割節(jié)點(diǎn)內(nèi)的對(duì)象元素是否滿足構(gòu)建終止條件，滿足時(shí)則當(dāng)前節(jié)點(diǎn)為葉節(jié)點(diǎn)，否則繼續(xù)下一步的分割。進(jìn)一步對(duì)所分割的節(jié)點(diǎn)選擇最佳分割平面，將該節(jié)點(diǎn)分割為左右節(jié)點(diǎn)，并檢查其是否為空節(jié)點(diǎn)，對(duì)于非空節(jié)點(diǎn)則繼續(xù)分割。在KD-Tree的構(gòu)建過程中，節(jié)點(diǎn)分割平面的選擇決定著構(gòu)建KD-Tree質(zhì)量的優(yōu)劣。一般能夠最大限度去除空對(duì)象元素的空間,且使每個(gè)節(jié)點(diǎn)的包圍盒盡可能緊湊的構(gòu)建才能生成好的KD-Tree結(jié)構(gòu)。對(duì)于分割面的選擇，目前最流行的方法包括中分方法和SAH(surface area heuristics)方法。KD-Tree的追蹤算法大體分為有棧追蹤、無棧追蹤和無棧帶線索追蹤3類。其中，有棧追蹤和無棧帶線索追蹤的效率要高于無棧追蹤，只是有棧追蹤的算法要為射線分配一個(gè)棧，而無棧帶線索追蹤的算法則需要為葉節(jié)點(diǎn)附加6個(gè)面線索，即追蹤效率的提高是建立在內(nèi)存消耗的基礎(chǔ)之上。

下面首先給出了具有強(qiáng)散射耦合效應(yīng)的三面角反射器目標(biāo)的RCS計(jì)算結(jié)果[23]。該計(jì)算分為兩種情形，其幾何結(jié)構(gòu)和計(jì)算結(jié)果如圖9、圖10所示，圖10(a)為俯仰角60°時(shí)，RCS隨方位角的變化；圖10(b)為方位角45°時(shí)，RCS隨俯仰角的變化。

圖9 兩種情形下三面角反射器散射示意圖Fig.9 Sketch map of trihedral corner reflector

圖10 三面角反射器后向雷達(dá)散射截面計(jì)算結(jié)果Fig.10 Back scattering RCS of trihedral corner reflector

2.2.2 基于矩形波束的OpenGL加速算法

另一種常用的加速面元間遮擋判斷的方法為基于OpenGL的硬件加速方法[24]，該方法從圖形顯示的機(jī)理出發(fā)，尋找被電磁波照射到面元，圖11為沿電磁波照射方向，目標(biāo)模型投影到屏幕上的圖形。

圖11 目標(biāo)模型的圖形顯示Fig.11 Graphical display of targets

利用圖形加速射線追蹤求RCS的過程為：

1)設(shè)置電磁波照射方式；2)根據(jù)照射方式，利用OpenGL，按照射每個(gè)面元的編號(hào)，設(shè)置每個(gè)面元的顏色，最后顯示目標(biāo)模型；3)讀取目標(biāo)的模型圖形的像素陣列，根據(jù)公式與讀取像素顏色標(biāo)定被電磁波照射到的面元；4)利用GO/PO算法計(jì)算被標(biāo)定的面元對(duì)雷達(dá)散射截面的貢獻(xiàn)值。

采用OpenGL進(jìn)行面元遮擋判斷時(shí)，如果采用三角形像素，在像素比較低的情況下會(huì)出現(xiàn)面元遺漏問題而導(dǎo)致計(jì)算精度降低。為解決這一問題，課題組結(jié)合圖形遮擋的性質(zhì)，提出了基于矩形波束的GO/PO算法，其示意圖如圖12所示。圖13給出了基于矩形波束的GO/PO算法計(jì)算的復(fù)雜物體RCS結(jié)果隨像素大小的變化情況，如圖13所示，當(dāng)像素矩陣尺寸較小時(shí)，該方法仍能保持較高的精度，從而在保證計(jì)算精度的同時(shí)，顯著提升計(jì)算效率。

圖12 矩形波束示意圖Fig.12 Sketch map of rectangular beam

圖13 基于矩形波束的GO/PO算法仿真結(jié)果隨像素大小的變化Fig.13 Simulation results of rectangular beam based GO/PO method with different pixel resolutions

3 海面與艦船復(fù)合場(chǎng)景電磁散射模型及其應(yīng)用

當(dāng)利用高頻近似方法分析海面背景及其上艦船目標(biāo)的復(fù)合散射問題時(shí)[25-28]，一般將復(fù)合散射場(chǎng)分解為海面散射場(chǎng)，目標(biāo)散射場(chǎng)以及船海之間的耦合散射場(chǎng)3部分分別求解。針對(duì)海面直接散射場(chǎng)、目標(biāo)散射場(chǎng)，可分別采用前面介紹的面元散射模型和基于面元思想的GO/PO方法。而對(duì)于海面與目標(biāo)之間的耦合散射場(chǎng)，課題組結(jié)合射線追蹤的思想，提出了利用GO/PO方法計(jì)算耦合散射場(chǎng)的實(shí)現(xiàn)方案，開展了船海復(fù)合場(chǎng)景散射特性分析，如圖14，圖15所示。另外，針對(duì)海面運(yùn)動(dòng)艦船目標(biāo)的時(shí)變散射回波信號(hào)的建模與仿真，課題組通過考慮時(shí)變海面與艦船目標(biāo)之間的水動(dòng)力相互作用，根據(jù)切片法實(shí)現(xiàn)了艦船6自由度運(yùn)動(dòng)姿態(tài)預(yù)估，從而可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)艦船姿態(tài)的變化對(duì)艦船目標(biāo)和艦船與海面之間的耦合電磁散射的調(diào)制影響分析。

圖14 海面及其上艦船目標(biāo)的復(fù)合散射示意圖Fig.14 Composite scattering sketch map of sea surface with a ship

圖15 不同方位角下海面及其上艦船目標(biāo)單站RCS隨入射角的變化Fig.15 Back scattering RCS of a composite ship-ocean scene for different incident angles

對(duì)于雷達(dá)信號(hào)，若是帶寬比較大，其信號(hào)中有效頻率成分的電磁波散射特性與中心頻率的散射特性差異較大。因此，以往用中心頻率的散射特性來近似脈沖的電磁散射特性，誤差較大。為了能夠體現(xiàn)信號(hào)中有效頻率成份的散射特性，課題組基于艦船目標(biāo)的電磁散射模型，根據(jù)當(dāng)前雷達(dá)狀態(tài)分析各頻點(diǎn)散射特性，并采用頻域算法模擬出雷達(dá)回波信號(hào)，進(jìn)而開展艦船目標(biāo)的雷達(dá)回波模擬和成像研究，如圖16,圖17所示。

圖16 海面及其上艦船目標(biāo)SAR圖像隨船向的變化，入射角60°Fig.16 SAR images of ship on sea surface for different ship heading directions, incident angles 60°

圖17 海上雙船目標(biāo)SAR圖像仿真結(jié)果Fig.17 SAR images of double ships on sea surface

4 結(jié)論

本文針對(duì)海上艦船復(fù)合場(chǎng)景電磁散射特性分析和SAR圖像仿真工作，介紹了課題組近年來提出的一系列針對(duì)海面電磁散射、目標(biāo)電磁散射、船海復(fù)合場(chǎng)景電磁散射以及SAR圖像仿真分析工作的可靠模型。針對(duì)海面電磁散射模型，分別提出了適用于分析中等入射角度海面全極化電磁散射特性的CWMFSM模型、適用于分析不同入射角度下海面同極化散射特性的FBS-SSA模型、適用于分析高海況下海面電磁散射特性的面元散射模型；針對(duì)目標(biāo)電磁散射，提出了基于面元思想的GO/PO方法，并分別實(shí)現(xiàn)了基于KD-Tree的加速策略和基于OpenGL的矩形波束照射的GO/PO方法。針對(duì)船海復(fù)合場(chǎng)景，提出了基于面元法+GO/PO的復(fù)合散射模型，并通過切片法考慮海上目標(biāo)的6自由度運(yùn)動(dòng)特征，實(shí)現(xiàn)了時(shí)變海上艦船目標(biāo)散射特性分析和雷達(dá)信號(hào)仿真工作，使得SAR圖像仿真結(jié)果能夠充分體現(xiàn)真實(shí)SAR的工作機(jī)制和特征。一系列模型的提出對(duì)于海上艦船目標(biāo)特征分析和分類識(shí)別能力的提升有著重要意義。