多尺度海面电磁散射特性建模与测量研究
海面背景下低空目标电磁散射特性仿真技术
收稿日期：２０１８－０６－３０；２０１８－１１－３０修回。
作者简介：袁晴晴（１９８５－），女，工程师，硕士，研究方向为射频制导目标模拟技术。
海面背景下低空目标电磁散射特性仿真技术袁晴晴１，阮开智１，聂 丁２，汪书阁１，王冠坤１（１．上海机电工程研究所，上海２０１１０９；２．西安电子科技大学物理与光电工程学院，陕西西安７１００７１） 摘要： 开展复杂低空目标和海洋环境电磁散射机理研究。
在下视条件下，研究目标与环境耦合场的作用机理和多径效应，获取有效的目标与环境复合散射特征分析模型及特征参数。
研究成果可为回波特性的数据采集、电磁成像、精确制导以及隐身与反隐身技术提供必要的理论依据和实用数据。
关键词： 低空目标；耦合场；多径效应；复合散射特性中图分类号： ＴＮ９７１；ＴＰ３９１．９２ 文献标识码： ＡＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ｌｏｗ ａｌｔｉｔｕｄｅｔａｒｇｅｔｓ ｕｎｄｅｒ ｍａｒｉｎｅ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄＹｕａｎ Ｑｉｎｇｑｉｎｇ１，Ｒｕａｎ Ｋａｉｚｈｉ １，Ｎｉｅ Ｄｉｎｇ２，Ｗａｎｇ Ｓｈｕｇｅ１，Ｗａｎｇ Ｇｕａｎｋｕｎ１（１．Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｅｌｅｃｔｒｏ－Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１１０９，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉｄｉａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ ７１００７１，Ｓｈａｎｘｉ，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｃｏｍｐｌｅｘ ｌｏｗ ａｌｔｉｔｕｄｅ ｔａｒｇｅｔｓ ａｎｄ ｍａｒｉｎｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｉｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ．Ｔｈｅ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ａｎｄ ｍｕｌｔｉｐａｔｈ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｆｉｅｌｄ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔａｒｇｅｔａｎｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ａｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｌｏｗ ｖｉｓｉｏｎ，ａｎｄ ａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｔａｒｇｅｔ ａｎｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｃｏｍ－ｐｏｓｉｔｅ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｃａｎ ｐｒｏ－ｖｉｄｅ ｎｅｃｅｓｓａｒｙ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｂａｓｉｓ ａｎｄ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｄａｔａ ｆｏｒ ｅｃｈｏ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ，ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｉｍａ－ｇｉｎｇ，ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｇｕｉｄａｎｃｅ，ａｎｄ ｓｔｅａｌｔｈ ａｎｄ ａｎｔｉ－ｓｔｅａｌｔｈ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｌｏｗ ａｌｔｉｔｕｄｅ ｔａｒｇｅｔ；ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｆｉｅｌｄ；ｍｕｌｔｉｐａｔｈ ｅｆｆｅｃｔ；ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ０ 引言复杂海洋背景环境中掠海目标电磁散射机理及多径效应的研究是地海环境中目标信号识别和杂波信号分离技术的关键所在，与精确制导、低飞目标和舰艇目标的识别技术紧密相关，其应用涉及雷达成像、遥感技术、制导和预警等众多领域，是目前急需重点研究和解决的基础课题。
地海交界分区域复合粗糙面建模及电磁散射特性研究
地海交界分区域复合粗糙面建模及电磁散射特性研究邹高翔;童创明;王童;孙华龙【期刊名称】《系统工程与电子技术》【年(卷),期】2017(039)007【摘要】研究了地海交界分区域复合粗糙面的建模方法及其电磁散射特性.采用蒙特卡罗方法建立地海交界分区域复合粗糙面模型,采用高斯谱模拟实际地面,采用变浅系数与北海联合海浪计划(joint north sea wave project, JONSWAP)谱结合而成的有限水深海谱模拟实际近海海面,基于分区域复合粗糙面建模理论,运用多种加权反正切函数处理实现了线型、月牙型、峡谷型自然环境.考虑了各介质区域内部的面元耦合以及区域之间和交界处面元的耦合作用,对地海交界分区域复合粗糙面的散射问题,提出了一种基于分区域面元的迭代物理光学法,采用快速远场近似(fast far field approximation, FaFFA)与局部耦合技术加速其迭代过程.对比了陆地粗糙面、海面和地海交界分区域复合粗糙面的电磁散射特性,计算了分区域复合粗糙面的散射系数,并讨论了极化方式、入射角、边界形状、陆地粗糙面的均方根高度、相关长度和近海海面的风速对地海交界分区域复合粗糙面电磁散射特性的影响.基于迭代物理光学法所获取的分区域复合粗糙面总散射场,采用正侧视条带式成像模式,选用距离多普勒算法对不同特点的地海分区域复合粗糙面进行合成孔径雷达(synthetic aperture radar, SAR)成像,并讨论了陆地粗糙面与海面各自的相对介电常数对SAR成像的影响.该研究包括了地海交界环境的建模、电磁散射特性的求解及其SAR成像,由仿真结果得到了地海交界分区域复合粗糙面的SAR像特点,对反演地海交界环境的电磁特性以及遥感、探测具有借鉴意义.%The modeling and electromagnetic scattering characteristics of composite rough surface ofground and ocean in adjacent region are studied.The Monte Carlo method is applied to construct composite rough surface of ground and ocean in adjacent region, Gauss spectral function is used to simulate actual ground surface, and joint north sea wave project (JONSWAP) spectral function which is combined with shallow coefficient is used to simulate actual near sea surface.Based on the theory of composite rough surface modeling, different weighted inverse tangent functions are presented to realize diverse actual environments, such as adjacent region with linear boundary, crescent boundary, and valley boundary.The couplings of facets in respective region and facets of region near borderline are considered, and an iterative physical optics (IPO) based on facets of composite rough surface of ground and sea in adjacent region is presented.The fast far field approximation (FaFFA) and partial coupling technology are applied to accelerate the process of IPO.The curves of bistatic scattering coefficient (BSC) of ground rough surface, sea surface and composite rough surface are compared.Electromagnetic scattering characteristics of composite rough surface are analyzed.The influences of polarization, incident angle, shape of borderline, root mean square (RMS) and correlation length of ground rough surface, wind velocity of sea surface on BSC are discussed.Based on the electromagnetic scattering field of composite rough surface which is calculated by IPO, the synthetic aperture radar (SAR) images of composite rough surfaces with special boundaries are obtained by the Rang-Doppler method with the stripmap mode.The influences of relative dielectric constants of ground rough surface and sea surface onSAR imaging are discussed.This research includes construction of an adjacent environment model, calculation of the electromagnetic scattering field, and application of SAR imaging technology.The simulation results show the characteristics of the SAR image of the composite rough surface, which can be a reference for detection, remote sensing and inversion of the electromagnetic characteristics of the environment of ground and sea in adjacent region.【总页数】14页(P1425-1438)【作者】邹高翔;童创明;王童;孙华龙【作者单位】空军工程大学防空反导学院,陕西西安 710051;空军工程大学防空反导学院,陕西西安 710051;东南大学毫米波国家重点实验室,江苏南京 210096;空军工程大学防空反导学院,陕西西安 710051;空军工程大学防空反导学院,陕西西安 710051【正文语种】中文【中图分类】TN011【相关文献】1.地海交界分区域复合粗糙面的布儒斯特效应研究 [J], 邹高翔;童创明;孙华龙;王童;彭鹏2.海洋粗糙面全极化电磁散射特性研究 [J], 王童;童创明;李西敏;姬伟杰3.基于FE-BI的介质粗糙面上方涂覆目标电磁散射特性研究 [J], 李科; 何红杰; 郭立新; 王蕊4.沙滩粗糙面建模及电磁散射特性研究 [J], 安锐;冯明;高鹏程;张元;张洁;胡宝文5.基于面元法的陆海交界复合粗糙面电磁散射研究 [J], 蒋天瑜;谭陆媛;杨伟;胥桓;任祥维因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
海面的电磁散射模型及应用
海面的电磁散射模型及应用
匡葵;常满
【期刊名称】《海洋学报》
【年(卷),期】1992(014)005
【摘要】本文采用随机格林函数方法求解了电磁场随机波动方程,给出了具有倾斜表面含气泡海浪的体散射系数表达式,并且指出,当电磁波近垂直入射时,只应用面散射模型是不充分的,必须考虑体散射效应。
同时讨论了当入射角在20°～30°之间体散射系数与面散射系数的加权对接问题,给出了完整的海面散射系数计算过程。
【总页数】11页(P34-44)
【作者】匡葵;常满
【作者单位】不详;不详
【正文语种】中文
【中图分类】P738.3
【相关文献】
1.基于改进二维分形海面模型的分层海面电磁散射分析 [J], 任新成;郭立新
2.VRT和M-G模型对含泡沫海面电磁散射特性的修正效应研究 [J], 李可可;刘伟;郭立新;刘广君
3.改进的一维分形模型在海面电磁散射中的应用 [J], 王运华;郭立新;吴振森
4.二维改进的分形模型在海面电磁散射中的应用 [J], 陈瑜;胡云安;林涛;王宏伟
5.随机粗糙海面的统计模型和分形模型电磁散射的比较研究 [J], 姚纪欢;张延冬;肖景明;葛德彪
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物理实验技术中的电磁波散射与吸收特性测量与控制方法
物理实验技术中的电磁波散射与吸收特性测量与控制方法引言：电磁波散射与吸收特性是物理实验中重要的研究方向之一。
准确测量和控制电磁波的散射与吸收特性，对于理解物质的结构和性质，以及应用于通信、能源等领域具有重要意义。
本文将介绍一些常见的电磁波散射与吸收特性测量与控制方法。
1. 电磁波散射特性的测量方法1.1 球面散射实验：球面散射实验是一种常用的测量电磁波散射特性的方法。
将待测物体置于球形测试腔体中，通过向腔体内发射电磁波，测量散射波和入射波之间的干涉效应，从而获得散射特性的信息。
该方法适用于中等尺寸的物体。
1.2 多天线散射测量方法：多天线散射测量方法利用多个天线组成的阵列，通过测量在不同方向上的散射波功率分布，获得物体的散射特性。
通过改变天线的位置和角度，可以实现对不同散射方向的测量。
该方法适用于较大尺寸和复杂形状的物体。
2. 电磁波吸收特性的测量方法2.1 Holes板测量法：Holes板是一种用于测量电磁波吸收特性的标准参考材料。
它由金属基板上具有不同深度和大小孔洞的表面组成。
通过测量电磁波在Holes板表面的反射和透射功率，可以获得物质的吸收特性。
该方法适用于对特定频率范围内的吸收特性的研究。
2.2 谐波振荡法：谐波振荡法是一种用于测量电磁波吸收特性的非接触方法。
通过将待测物体置于谐波振荡器中，在振荡频率和幅度的调制下，测量谐波振荡器输出功率的变化，从而获得吸收特性的信息。
该方法适用于对低频或微弱吸收特性的测量。
3. 电磁波散射与吸收特性的控制方法3.1 材料设计与制备：通过调整材料的成分、结构和形貌，可以实现对电磁波散射与吸收特性的控制。
例如，设计制备具有特定频带吸收特性的超材料，通过调整超材料的单元结构和周期性，实现对特定频率范围内电磁波的吸收。
3.2 电磁波辐射控制：通过改变散射物体的形状、尺寸或电磁波辐射源的位置和方向，可以实现对电磁波散射特性的控制。
例如，在通信中，利用天线指向性的调整，可以实现对电磁波辐射范围和强度的控制。
粗糙海面目标电磁散射的研究的开题报告
粗糙海面目标电磁散射的研究的开题报告一、研究背景粗糙海面目标电磁散射是一种非常复杂的现象，涉及海面的物理特性、目标的形状和材料特性、电磁波的物理本质等多种因素。
目前，粗糙海面目标电磁散射的研究已经成为遥感领域和海洋工程领域中备受关注的热点问题。
二、主要研究内容本研究计划从以下三个方面展开深入探究：（一）粗糙海面的物理特性研究。
首先，我们需要识别出海面的粗糙度，然后根据粗糙度对海面的散射特性进行分析。
（二）目标形状和材料特性的分析。
同样重要的是，我们需要对目标的形状和材料特性进行分析，例如目标表面的反射率，避免散射波与自身反射干扰。
（三）电磁波的物理本质研究。
电磁波在粗糙海面和目标表面的反射、散射和透射过程中的行为非常复杂，因此需要深入了解电磁波的物理本质，以便更好地理解散射现象的本质特性。
三、研究意义本研究的意义在于可以探究粗糙海面目标电磁散射的物理机制，为遥感领域和海洋工程等应用领域提供高效的散射模型，为海洋开发的相关工作提供技术支持。
四、研究方法本研究采用理论计算和仿真模拟相结合的方法。
具体来说，基于海面粗糙度和目标形状以及材料特性等因素，我们将使用计算机模拟和数值计算的方法，对粗糙海面目标电磁散射现象进行模拟和分析，并建立相关的数学模型和数值算法，最终实现可视化和计算机辅助分析等工作。
五、预期成果本研究预期将实现以下三个方面的成果：（一）建立粗糙海面目标电磁散射的计算模型。
（二）探究粗糙海面目标电磁散射的物理机制，揭示了该现象的本质特性。
（三）提供新的解决方案和应用思路，为海洋开发等领域的相关人员提供科学依据和技术支持。
六、研究难点本研究的主要难点在于海面的粗糙度、目标的形状和材料特性以及电磁波的物理特性等影响因素非常复杂，因此需要建立高度精细的计算模型和数值算法，从而保证计算和模拟的准确性和可靠性。
另外，本研究涉及多学科交叉，需要各领域专家之间的密切合作和协调配合。
七、研究进展目前，本研究已经完成海面粗糙度分析和目标形状和材料特性分析的理论模型建立工作，并正在进行模拟和计算分析的相关工作，预计在未来的数年内取得一系列重要和创新性成果。
多径条件下舰船目标散射特性分析与实验
ＤＯ Ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ 。 ２ ０ ９ ５ — ５ ８ ３ ９ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ３ ． ０ ０ １
多径条件下舰船 目标 散射 特性分析与实验
卢建斌 ， 席 泽敏 ， 张明敏
（ 海军工程大 学 电子工程学院， 武 汉４ ３ ０ ０ ３ ３ ）
第２ ７ 卷 第３ 期 ２ ０ １ ３ 年０ ６ 月
空 军 预 警 学 院 学 报
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ａｉ ｒ Ｆ ｏ ｒ ｃ ｅ Ｅ ａ ｒ ｌ ｙ Ｗａ ｍｉ ｎ ｇ Ａｃ ａ ｄ ｅ ｍｙ
Ｖ＿ ０ １ ． ２ ７ ＮＯ． ３ Ｊ ｕｎ． ２０１ ３
摘
要： 岸基 对 海 雷 达探 测 舰 船 目标 时会 受 到起 伏 海 面 的 影响 ， 形 成 电磁 波传 播 的 多径 效 应 ， 对 舰 船 目标 雷
达 散 射特 性 产 生影 响 ．根 据 电磁 波 传播 的四路 径 模 型 ， 提 出一 种 多径 条件 下舰船 目标散 射 特 性 的统 计分 析 方 法 ，
的统 计 分 析方 法 ， 指 出 了起 伏 海 面雷 达 目标 回波
功率 的影 响程 度 ．
１ 多径条件下 电磁 波传 播模 型
假设 某对 海雷达位 于海面 上方高度 ｈ ， 目
标 所 处 的高 度 为 ｈ ， ， 雷 达 与 被 探 测 目标 间 水 平
距 离 为 ｏ， 并且 Ｒ ０ ＞ ＞ｈ ，Ｒ ０ ＞ ＞ｈ ． 这 样 由雷 达
ห้องสมุดไป่ตู้信号 产 生一定 的差异 ， 特别 是海 面上 的舰船 目
标， 不 可 避 免 地 会 受 到 起 伏 海 面 的影 响 ， 目标 与
动态海面电磁散射与多普勒谱研究
动态海面电磁散射与多普勒谱研究动态海面电磁散射与多普勒谱研究引言：海洋是地球上最复杂、最广阔的自然环境之一，对人类的气候、资源和交通运输产生着深远影响。
了解海洋的动态变化对于预测天气、海洋潮汐、海浪等具有重要意义。
而动态海面电磁散射与多普勒谱研究正是一种能够帮助我们深入了解海洋动态变化的方法。
一、动态海面电磁散射简介1. 基本原理动态海面电磁散射是指当电磁波遇到海面时，由于海面波浪的起伏而产生的电磁波的散射现象。
海面波浪的起伏会导致入射电磁波的反射、折射和散射，进而造成电磁波的散射现象。
2. 散射与雷达雷达是一种常用的动态海面电磁散射研究手段。
它利用电磁波和回波的相互作用来探测目标物体的位置、速度和形态等信息。
动态海面电磁散射研究通过分析回波的特征，可以获取海洋表面的动态信息。
二、多普勒谱与海洋动态变化1. 多普勒效应当目标物体相对于探测系统运动时，回波信号的频率会发生变化，这就是多普勒效应。
多普勒谱是描述这种频率变化的参数。
2. 多普勒谱在海洋研究中的应用多普勒谱可以提供有关目标物体速度和动态变化的信息，因此在海洋研究中有着广泛的应用。
例如，通过分析多普勒谱可以获得海浪的频谱特性，从而对海浪的能量传输和演化进行研究；还可以获取海洋流场的运动特征，用于海流预测和船舶导航等。
三、动态海面电磁散射与多普勒谱的研究进展1. 海面散射机理的研究目前，关于动态海面电磁散射的机理研究主要有两个方向：一是基于微观尺度的电磁波与海面波浪的相互作用机制研究；二是基于宏观尺度的海洋动态变化对电磁波散射的影响研究。
2. 多普勒谱的提取与分析方法随着雷达技术的不断进步，提取和分析多普勒谱的方法也在不断完善。
当前主要的方法包括时域法、频域法、小波变换法等。
四、应用前景与展望1. 天气预报与海洋观测动态海面电磁散射与多普勒谱研究在天气预报和海洋观测中具有重要应用价值。
通过分析多普勒谱可以提供海洋表面的动态变化信息，为天气预报提供更加准确的数据支持。
粗糙(海)面及其上方目标复合电磁散射建模研究的开题报告
粗糙（海）面及其上方目标复合电磁散射建模研究的开题报告一、研究背景及意义粗糙海面及其上方目标复合电磁散射问题是海上雷达目标探测中的一种复杂难题。
目前海上雷达探测技术的发展极大程度上依赖于雷达信号在海面及海上目标上的散射特性研究。
但是，粗糙海面和海面上物体的具体散射情况非常复杂，传统研究方法往往难以解决这些问题。
因此，针对粗糙海面及其上方目标复合电磁散射问题的研究，具有重要的现实意义。
首先，它有助于开发更为高效准确的海上雷达探测技术，提高海上目标的探测率和识别率，进而增强海上安全防护能力。
同时，对于资源开发、防灾减灾等相关海洋领域的研究也具有十分重要的应用价值。
二、国内外研究现状目前，国内外针对粗糙海面及其上方目标复合电磁散射问题的研究主要包括以下两方面：1.海面散射研究对于海面粗糙造成的雷达散射问题，国内外学者大量进行了理论模型的研究，主要基于核函数法、Kirchhoff方法、微扰方法等建模方法，提出了一系列海面散射力学模型。
其中，目前应用较广的模型有双向模型（Bragg散射模型）和单向模型（Kirchhoff模型），这两种模型均能够较为准确地描述海面粗糙带来的散射特征。
2.海上物体散射研究针对海面上物体（如船只、浮标、起重机等）的雷达散射问题，国内外学者也大量进行了相关研究。
目前主要采用的研究方法包括物理光学法、Geometric Optics方法、物理逆散射法、反演方法等。
通过这些方法，可将目标的形态、尺寸等信息建立数学模型，计算目标的散射特性，从而实现目标的识别和分类。
三、研究内容及方案针对目前国内外研究现状，本研究主要针对粗糙海面及其上方目标复合电磁散射问题展开深入研究，具体研究内容和方案如下：1.粗糙海面散射建模基于Bragg散射模型，本研究将粗糙海面建立数学模型，并从理论上探究不同风速、波高、波长和角度等因素对海面散射特性的影响，采用数值仿真方法验证不同情况下的散射特性；2.海面上目标散射建模利用几何光学原理，将海面上目标建立数学模型，并运用Mie散射、Kirchhoff散射等方法对不同目标的散射特性进行计算，并结合实验数据进行验证；3.复合电磁散射建模将粗糙海面散射和海面上目标散射两部分进行综合，通过将两者的散射模型相加或相乘等方式，建立粗糙海面及其上方目标复合电磁散射模型，并通过仿真和实验数据验证模型的准确性和可行性；4.模型应用研究在研究粗糙海面及其上方目标复合电磁散射模型的基础上，将模型应用于海上雷达目标探测中，进一步完善海上目标探测技术，提高雷达目标探测的精度和可靠性。
海面舰船目标紫外和可见光波段散射特性研究
海面舰船目标紫外和可见光波段散射特性研究牛武斌;李奎;杨玉峰【摘要】采用Mote-Carlo方法构造了二维随机粗糙海面.利用海面双向反射分布函数(BRDF)模型计算了海面在紫外和可见光波段的辐射亮度,并与大气传输软件Modtran计算结果进行了对比分析.基于目标表面材料BRDF模型,计算分析了海上某舰船目标分别在紫外和可见光波段对背景辐射的散射亮度,并与海面背景辐射亮度进行了对比.结果表明,在紫外和可见光波段,海面背景辐射对舰船目标亮度的影响可以忽略,探测时间和方位、舰船表面材料、目标形状以及探测波段等因素,共同决定了舰船目标的散射特性,为实现海面舰船目标的多波段实时探测与识别提供一定的参考依据.【期刊名称】《河南科学》【年(卷),期】2019(037)003【总页数】7页(P349-355)【关键词】双向反射分布函数(BRDF);紫外和可见光;舰船目标;海面散射【作者】牛武斌;李奎;杨玉峰【作者单位】山西大学物理电子工程学院,太原 030006;西安电子科技大学物理与光电工程学院,西安 710071;西安理工大学自动化与信息工程学院,西安 710048【正文语种】中文【中图分类】O436.2;TN971.+1目标与环境的光学特性，在目标的探测与识别、精确制导、装备制备等军事领域以及环境监测、地物遥感、灾难救援等民用领域都具有重要的应用价值.近年来，海上局势日趋紧张［1］，海面及舰船目标的光学特性研究显示出极其重要的战略作用.国外对目标与环境的光学特性研究较早，至今建立了包含舰船在内的各种军事目标与环境光学特性数据库，研究波段范围已经扩展到紫外-可见光-红外等多个波段.目前我国对海面和海面上舰船目标的研究，主要集中在红外和微波波段.2014年，靳兰海［2］讨论了海面在红外波段的辐射亮度及其对舰船目标探测的影响，吴庚坤［3］等人讨论了文氏改进谱海面的微波散射特性；2017年，杨敏［4］等人利用OGRE渲染引擎仿真了不同条件下的舰船目标红外成像，王强、郭立新［5］等人利用时域混合算法等多种方法研究了海面及其与舰船目标在雷达波段的混合电磁散射特性；2018年，李奎［6］研究了可见光波段二次散射对舰船目标散射亮度的影响.随着红外与雷达隐身技术的发展，通过单一波段对目标进行定位与识别已不能满足实际战场环境需求，且雷达与激光探测需要发射电磁波，容易暴露目标，紫外和可见光均属于被动探测，隐蔽性较高，但夜间不能正常工作，所以对目标进行多波段联合探测成为必然趋势［7-8］.本文基于描述目标表面光散射特性的双向反射分布函数BRDF模型，在紫外和可见光波段，分别研究了海面和舰船目标对背景辐射的散射特性，并分析了不同波段海面辐射对目标探测与识别的影响，讨论给出了影响目标亮度特征的主要因素.1 海面背景在紫外和可见光波段的辐射特性1.1 海面几何建模自然条件下，局部海面受到风速、风向、洋流等因素影响，由于重力和表面张力作用形成海浪，产生了不同程度的高低起伏，形成粗糙海面，对海面进行直接测量难度较大，多采用数值模拟与物理方法相结合方式对海面粗糙度进行仿真模拟.本文采用Mote-Carlo方法，对二维P-M谱粗糙海面进行了仿真模拟［6，9］，构造了不同风速下的海面模型，分别如图1（a）和图1（b）所示，海面区域大小为30 m×30 m，风速分别为3 m/s和10 m/s，风向与观察方向相同.图1 不同风速下二维P-M谱粗糙海面模型Fig.1 Two-dimensional P-M spectral rough sea surface models under different wind speeds比较图1（a）和图1（b）可以看出，风速较小时，海面整体起伏较小，局部形成小波浪，相对粗糙，当风速较大时，海面整体出现较大波动，局部小范围相对平滑，与自然条件下海面随风速的变化规律相符合.1.2 海面BRDF建模双向反射分布函数BRDF定义为从材料表面某一方向出射的辐射亮度与某一方向入射到材料表面的辐照度之比［10］.科研人员从理论建模以及实验测量方面都对其进行了大量的研究［11-13］，广泛应用于目标与环境的光散射特性、材料诊断等方面，涵盖了激光、微波、红外、可见光、紫外等波段［7，14-15］.海面作为随机粗糙面，可看成由大量的小波面组成，每个小波面近似为平面，讨论其对背景辐射的散射亮度特征时，采用BRDF模型进行计算.2005年V.Ross［16］等人建立了海面的BRDF模型，并讨论了海面对太阳辐射的反射特性，2013年Huang J［17］等人进一步讨论了海面反射阳光的BRDF经验模型，海面BRDF模型具体形式如式（1）所示.式中：F(ks,kr)表示反射系数，取决于海面折射率和反射率；qvn(ks,kr)表示面元权重，与面元坡度以及面元遮挡等因素有关；ks、kr、kn分别表示入射光线反方向、反射光线、面元法线方向；θs和φs分别表示入射方向天顶角和方位角；θr和φr 分别表示反射方向天顶角和方位角.BRDF模型各参量关系如图2所示.图2 面元BRDF模型几何关系示意图Fig.2 Geometric relationship sketch map of BRDF model surface elements1.3 海面对背景辐射的散射计算由于海面背景各向非均匀辐射特性，需要计算其在不同方向的辐射亮度.在紫外和可见光波段，海面背景辐射由海面对太阳和大气背景在紫外和可见光波段辐射的散射构成，则海面背景在某一方向某波长辐射亮度Lr,λ 表示为［2，6，9］式中：τλ为大气透过率；ρλ为海面对波长λ辐射的反射率；Lλ,sky和Lλ,sun分别表示天空背景和太阳波长为λ的辐射亮度.引入海面BRDF模型 f(k s,kr)后，每个海面面元散射亮度表示为Eλ,sky和Eλ,sun分别表示天空背景和太阳辐照度，则海面面元在波段λ1～λ2某一方向辐射亮度Li,sea表示为：天背景辐射和太阳辐射均使用大气传输软件Modtran进行计算［18-19］，由于天空背景各向均匀辐射，采用45°天背景辐射来代替所有方向天背景辐射［2，6］，计算时积分所有入射方向.最后对所有海面面元加权平均，即得到海面在某一方向特定波段的背景辐射亮度.1.4 计算实例与分析以1.1节中构建的海面几何模型为目标，计算了其在0.3～0.4 μm 紫外波段和0.4～0.76 μm可见光波段、不同观测条件下的辐射亮度角分布，分别如图3（a）～（d）所示. 观测高度0 km，观测时间为：2018年8月15日10：00和16：00，对应太阳天顶角、方位角分别为（31.256°，104.439°）和（56.085°，270.525°），海面风速取 3 m/s和10 m/s，风向正北，大气模式选取1976美国标准大气模式，海水表面温度300 K，不使用云、雨的衰减，气溶胶模式为海军海事.图3 不同波段、不同观测条件下的海面辐射亮度角分布Fig.3 Radiation luminance angular distribution of the sea surface in different bands and different observation conditions比较不同波段图 3（a）和图3（b），海背景辐射亮度在紫外波段小于可见光波段近一个数量级，原因是入射到海面的太阳辐射照度在紫外波段比可见光波段小一个数量级，且天空背景辐射相差不大；由于海面对阳光的镜反射作用，在太阳入射的镜反射方向均能看到明显亮度峰值.比较不同观测时间图3（b）和图3（c），在太阳入射的镜反射方向均存在明显峰值，但16：00时可观测到的较大海面辐射亮度范围变窄，原因是16：00时太阳入射天顶角变大，造成海面面元间相互遮挡增多，特定海面区域被照射面元数减少，形成了细长海面亮带.比较不同风速图3（b）和图3（d），当风速增大，海面产生较大波动，太阳入射镜向无明显峰值，海面亮度峰值由太阳镜向集中分布向两边扩散，且亮度值减小，与实际可见光下观察到的海面状况相似.在紫外-可见光波段，取太阳镜反射方向，利用BRDF模型计算得到的海面背景辐射亮度谱分布与Modtran软件计算结果对比如图4所示.图4 不同方法得到的海面背景辐射亮度谱分布对比Fig.4 Comparison of spectral distributions of the sea surface radiation luminances obtained by different methods从图4中可以看出，无论是10：00时还是16：00时，海面背景辐射亮度谱分布与Modtran计算结果基本一致.而在使用Modtran软件计算海面背景辐射时，需要逐个观测角度进行输入计算，不适用于在海背景下对目标进行实时探测的应用中.2 舰船目标在紫外和可见光波段对背景辐射的散射计算2.1 舰船对背景辐射的散射亮度计算在紫外和可见光波段，舰船目标自身无辐射，探测器接收到的辐射亮度主要是由舰船目标对背景辐射的散射亮度构成.先通过3DMAX软件建立某型号舰船目标仿真模型，然后将其剖分成大量的小三角面元，计算观察方向每个可见面元对某波段背景辐射的散射亮度，最后将所有可见面元加权平均得到某波段舰船目标在特定观察方向的散射亮度.每个目标面元接收到的背景辐射来自天空背景辐射、海面背景辐射和太阳辐射3个方面.在计算面元对背景辐射的散射亮度时，根据BRDF定义，须将背景入射方向以及探测器接收方向统一转化到面元坐标系中进行计算［6，20］.则在面元坐标系中，目标面元在特定波段对天空背景辐射或者海面背景辐射的散射亮度Lr,sky/sea表示为式中：fr(θi,φi,θs,φs,λ)为面元表面材料光谱BRDF，取决于材料表面粗糙程度、介电常数、入射波长λ、入射方向(θ i,φi) 和散射方向(θ s,φs)等因素，计算过程中使用曹运华、吴振森［14］等人提出的BRDF五参数模型，具体形式见文献［14］，λ1～λ2为入射波长范围，Li,λ为(θ i,φi)入射方向背景光谱辐射亮度.式中：Li,λ,sky为天空背景辐射亮度；Li,λ,sea为海面背景辐射亮度.面元对太阳辐射的散射亮度Lr,sun表示为式中：Eλ,sun表示太阳辐照度.由于面元间的相互遮挡、目标姿态以及探测器角度等因素，并非所有面元都能被观测到，也并非所有面元都能同时接收到所有方向背景辐射，所以在计算面元对背景辐射的散射亮度时，须先对面元进行入射方向和接收方向遮挡消隐处理，计算过程中采用了Z-Buffer算法讨论面元以及面元间的遮挡效应［2］，则每个面元在某一接收方向对背景辐射的散射亮度Lr表示为式中：S1和S2分别代表入射方向和接收方向遮挡效果，面元可见取1，不可见取0，Lr,sky表示每个面元对天空背景辐射的散射亮度，Lr,sea表示面元对海面背景辐射的散射亮度，最后，对所有可见面元散射亮度加权平均得到舰船目标在某一探测方向的散射亮度Lship为式中：Sj、Lr,j分别为目标第j个可见面元在探测器方向上投影面积和散射亮度，m为可见面元个数.2.2 计算实例与分析以某型号舰船模型为目标，计算了其在紫外和可见光波段，不同条件下的散射亮度角分布.舰船模型尺寸为长×宽×高：20 m×3 m×6 m，取海面背景区域30 m×30 m，计算条件与1.3节中计算海面对背景辐射的散射亮度时相同，目标表面蒙皮材料分别选取为：在紫外和可见光波段，BRDF镜向反射分量较强的白漆，以及BRDF漫反射分量较强、镜反射分量较弱的飞船包覆材料，白漆以及飞船包覆材料在紫外和可见光波段BRDF五参数取值分别见文献［15］和文献［7］.舰船姿态以及探测器接收轨迹如图5所示，虚线为探测器轨迹，圆点为探测器起始位置.图5 目标姿态及探测器轨迹示意图Fig.5 Sketch map of the target posture and detector track讨论海面辐射对目标探测的影响：取探测方位B，此方位海背景散射亮度较大.在紫外和可见光波段，海背景散射亮度与舰船目标散射亮度对比分别如图6（a）和图6（b）所示.图6 不同波段不同时间海背景散射亮度与舰船目标散射亮度对比Fig.6 Comparison of scattering luminances between sea background and shiptarget in different bands and different times比较图6（a）和图6（b）发现，在紫外波段，即使在太阳入射镜反射方向观察，海背景散射亮度都远小于目标散射亮度，不会对目标亮度特征产生影响；在可见光波段，虽然海面在太阳入射镜向散射亮度较大，但相比同一时间的目标散射亮度，也几乎不产生影响.所以无论在紫外波段还是可见光波段，海面背景辐射均不会影响目标的散射亮度特征.从图6中还可以看出，在不同的探测时间，由于太阳入射方向不同，目标的散射亮度峰值位置及大小也对应发生改变.讨论不同表面材料的舰船目标：表面材料为飞船包覆材料和表面材料为白漆的舰船目标在10：00不同波段不同探测方位散射亮度角分布分别如图7（a）和图7（b）所示.图7 不同表面材料目标在不同波段和不同探测方位散射亮度角分布Fig.7 Scattering luminance angular distribution of targets of the different surface materials in different bands and different detection orientations比较图7（a）和图7（b）发现，对于表面材料为白漆的舰船目标，由于白漆材料BRDF镜向分量明显，所以在探测方位A，无论是紫外波段还是可见光波段，在太阳入射方向以及镜反射方向均能看到较大散射亮度，且可见光波段较为明显.在探测方位B，由于太阳入射方向所在平面与探测方位所在平面几乎垂直，均无散射亮度峰值出现，仅在目标正上方区域太阳照射部位可观察到较大散射亮度；对于表面材料为飞船包覆材料的目标，由于飞船包覆材料BRDF漫反射分量明显，在太阳入射方向和镜反射方向均无散射亮度峰值，而在紫外波段，探测方位B，在舰船两侧可观察到较大散射亮度.因此，对于表面材料为飞船包覆材料的目标，可选择紫外波段探测方位B进行探测，对于表面白漆材料目标，可选择可见光波段探测方位A进行探测.讨论不同形状的舰船目标：取另一表面结构相对舰船目标简单的白漆面游艇为研究对象，计算了其在10：00、探测方位A、紫外和可见光波段的散射亮度角分布，与舰船目标散射亮度对比如图8所示.图8 不同形状目标在不同波段散射亮度角分布Fig.8 Scattering luminance angular distribution of the different shape targets in different bands从图8中可以看出，对于海背景下的不同形状目标，由于紫外波段和可见光波段的辐射和散射特性，均显示出相似的散射亮度特征.而对于表面设备较多、结构复杂的舰船目标来说，可见光波段相比波长较小的紫外波段，更能显现出较为明显的散射亮度特征.综合以上讨论，在紫外和可见光波段，海面背景辐射对目标的散射亮度特征不会产生影响.对于不同表面材料的目标，选择合适的探测方位以及探测波段，才能显示出明显的散射亮度特征，同时，探测时间和目标形状也对目标的散射亮度特征产生影响.3 结论在紫外和可见光波段，海面背景辐射主要受到太阳辐射和海面风速的影响，在不同时间、不同风速下可观测到不同的散射亮度特征.讨论海面上舰船目标的散射亮度特征时，在紫外波段和可见光波段，海背景辐射亮度可以忽略，直接计算舰船目标对天空背景和太阳辐射的散射亮度，极大地提高了计算速度，为实现舰船目标的实时探测提供了有效手段.对于不同特征的舰船目标，由于探测方位、探测时间以及探测波段的不同而表现出特有的散射亮度特征，在对舰船目标进行多方位、多波段联合探测与识别过程中，具有重要的参考价值.【相关文献】［1］欧阳维.中国边海防面临的安全行驶与对策思考［J］.和平与发展，2015，27（1）：16-28. ［2］靳兰海.海面对阳光及大气背景红外辐射的散射特性研究［D］.西安：西安电子科技大学，2014.［3］吴庚坤，姬光荣，姬婷婷，等.基于文氏改进谱的二维粗糙海面模型及其电磁散射研究［J］.物理学报，2014，63（13）：143-155.［4］杨敏，李敏，易亚星，等.基于OGRE的海面舰船目标红外仿真方法［J］.激光与红外，2017，47（1）：53-57.［5］王强，郭立新.时域混合算法在一维海面与舰船目标复合电磁散射中的应用［J］.物理学报，2017，66（18）：39-46.［6］李奎.海面上目标的光散射特性研究［D］.西安：西安电子科技大学，2018.［7］邹喜仁.目标紫外-可见光光谱散射特性分析及探测波段研究［D］.西安：西安电子科技大学，2014.［8］高宇辰，周冰，刘贺雄，等.军事目标激光散射特性研究进展［J］.激光与红外，2017，47（9）：1063-1070.［9］徐德伦，于定勇.随机海浪理论［M］.北京：高等教育出版社，2001.［10］ NICODEMUS F E.Reflectance nomenclature and directional reflectance and emissivity［J］.Applied 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大入射角情况下海面包含二面角反射器碎浪模型的电磁散射分析
大入射角情况下海面包含二面角反射器碎浪模型的电磁散射分析罗根【摘要】根据高分辨率雷达实测数据,在大入射角情况下,海面后向散射往往会出现强散射和大多普勒频移的现象,这些现象被认为是由波浪破碎引起的.在楔结构的基础上,本文提出了一个二面角反射器碎浪模型.运用物理光学法,对该模型进行电磁散射分析,结果表明,该模型可以体现水平极化的后向散射增强和高极化比现象.通过运用斜率判据,可以获得类似于真实海面情况的破碎点分布.结合双尺度方法,计算了包含碎浪模型的海面后向散射系数,结果表明该模型能够增强HH极化的散射强度,使其更符合实测数据,而对VV极化修正效果不明显.同时,考虑Bragg相速度,面元轨道运动和风驱漂流速度,计算了包含碎浪的海面多普勒谱,得到的结果也在也有很大的提高.%A ccording to the high-resolution radar data, backscattering scattering of sea surfaces may give rise to phenomena of strong scattering and large Doppler offsets for HH polarization at large incident angles, which are usually considered to be caused by breaking waves.A new Dihedral Corner reflector model based on the Wedge of Lyzenga for breaking wave at LGA is proposed in this paper.Analyzed by the method of Physical Optics, this model can indicate the backscattering enhancement for HH component and the increment of polarization ratios.By using the slope criterion, the breaking points distribution which is similar with the real situation on the sea surface is obtained.The backscattering coefficients of sea surface wi th breaking wave are calculated by the two-scale method (TSM).The results indicate the breaking wave model can enhance theintensity of HH polarization, which is more agreeable with experimental data.For VV polarization, the revision from the breaking wave is not very obvious.At the same time, considering the Bragg phase velocity, orbital motion of facets and wind drift, the Doppler Spectrum of sea surface with breaking wave is simulated and a good improvement is obtained.【期刊名称】《江西科技师范大学学报》【年(卷),期】2018(000)006【总页数】7页(P89-95)【关键词】电磁散射;碎浪;二面角反射器【作者】罗根【作者单位】江西科技师范大学光电子与通信重点实验室,江西南昌 330038【正文语种】中文【中图分类】O451一、引言一直以来，科学家都在致力于海面电磁散射的研究，很多电磁散射方法也被提出来。
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多尺度海面电磁散射特性建模与测量研究
多尺度海面电磁散射特性建模与测量研究
引言
海洋是地球表面覆盖最广的环境之一，其电磁散射特性对于雷达遥感、海洋观测和通信等领域具有重要意义。
海面电磁散射是指电磁波在海面上发生的散射现象，其研究旨在揭示海面散射机理，提高雷达探测和通信系统在海洋环境中的性能。
一、多尺度海面电磁散射特性建模
海面电磁散射特性的建模是研究的基础。
研究者通过观测、实验和数值模拟等方法，建立了一系列的散射模型。
在海面电磁散射模型中，通常采用常规散射模型、小波模型和多尺度分析等方法。
常规散射模型是应用最为广泛的一种方法，通过分析电磁波与海面之间的相互作用，建立了散射系数与入射角、海面粗糙度等之间的数学关系。
这种方法依赖于波动理论和近似计算，在一定范围内能够较好地描述海面电磁散射现象。
小波模型是一种基于小波分析的波浪散射模型，通过对海面波浪进行小波变换，得到波浪谱在频谱尺度上的分布信息。
然后将波浪谱与海水的散射系数相乘，得到入射波的散射波谱，从而计算出散射系数。
小波模型对于海面散射的高频成分能够更准确地进行建模。
多尺度分析是利用尺度分析方法研究海面电磁散射特性的一种方法。
采用多尺度分析可以将海面的粗糙度结构分析为多个尺度的成分，从而更全面地描述海面电磁散射特性。
同时，多尺度分析还可以考虑到海面局部特征对电磁散射的影响，提高模型的精度。
二、海面电磁散射特性的测量方法
海面电磁散射特性的测量是进一步研究的基础。
现代海洋科学技术已经发展出多种有效的测量方法。
实地观测是最直接、精确的海面电磁散射特性测量方法。
通过在海面上实施测量实验，可以获得实时、实地的数据。
实地观测可以使用散射雷达、光学测量仪器等设备进行测量，得到海面散射系数、散射特性等关键信息。
卫星遥感是一种通过卫星对地球表面进行观测的遥感技术。
使用卫星遥感可以对大范围的海洋进行连续观测，获得大量的数据。
卫星遥感在海面电磁散射特性研究中具有广泛的应用，尤其是在对大尺度和长时间尺度的海面散射特性变化进行研究时，具有独特的优势。
实验室测量是一种通过模拟实验对海面电磁散射进行测量的方法。
可以创建不同模型的海面，通过实验测量得到不同参数下的散射特性。
实验室测量可以通过对实验结果进行拟合和分析，进一步理解和解释海面电磁散射的机理。
结论
多尺度海面电磁散射特性建模与测量研究对于海洋领域具有重要意义。
通过建立合理的散射模型，可以更好地揭示海面电磁散射的机制。
同时，通过多种测量方法获取的数据，能够全面、准确地描述海面散射特性。
未来，我们应继续深入研究多尺度海面电磁散射特性，推动海洋领域的发展
通过实地观测、卫星遥感和实验室测量等多种方法，海洋科学技术已经发展出多种有效的测量方法来研究海面电磁散射特性。
实地观测是最直接、精确的方法，可以获得实时、实地的数据；卫星遥感可以对大范围的海洋进行连续观测，具有广
泛的应用；实验室测量则可以通过模拟实验来获取不同条件下的散射特性。
这些方法的结合可以全面、准确地描述海面散射特性，并揭示其机制。
未来，应继续深入研究多尺度海面电磁散射特性，以推动海洋科学技术的发展。