内容简介
《面向智能感知的海面目标宽带雷达信号与图像仿真》详细阐述真实扩展海场景下雷达电磁成像仿真及目标智能感知领域所涉及的核心理论及关键技术，主要包括基于毛细波相位修正的海面高分辨电磁散射模型、三维时空相关海杂波的统计建模与模拟器实现、海面目标复合场景优化面元电磁散射模型、海场景高分辨雷达图像的频域宽带仿真技术、海上目标微多普勒特征仿真技术、箔条和角反射器无源干扰背景下海场景雷达图像仿真及目标智能识别技术等。
目录
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“电子与信息作战丛书”序
前言
第1章 基于毛细波相位修正的海面高分辨电磁散射模型 1
1.1 海面几何建模方法 1
1.1.1 功率谱 2
1.1.2 角度分布函数 4
1.1.3 线性海面几何建模 5
1.2 海面电磁散射**模型 8
1.2.1 基尔霍夫近似方法 8
1.2.2 微扰法 10
1.2.3 复合表面模型 12
1.2.4 小斜率近似方法 13
1.3 毛细波相位修正面元散射模型 16
1.3.1 漫散射区域的Bragg谐振机制 16
1.3.2 毛细波相位修正面元散射模型推导 17
1.3.3 数值计算结果与分析 22
1.4 基于面元的简化SSA方法 25
1.4.1 基于面元的简化SSA方法的理论推导 25
1.4.2 FBS-SSA方法的验证与性能分析 28
1.5 高海况海面电磁散射模型 32
1.5.1 破碎波几備型 33
1.5.2 破碎波散射场计算 34
1.5.3 考虑破碎波的高海况海面电磁散射模型 36
1.5.4 高海况海面散射特性分析 36
1.5.5 高海况海面SAR图像仿真分析 41
1.6 大幅宽海场景电磁散射计算方法 44
1.7 本章小结 46
参考文献 46
第2章 三维时空相关海杂波的统计建模与FPGA实现 50
2.1 海杂波统计分布模型及参数估计方法 51
2.1.1 常见的统计分布模型 51
2.1.2 统计分布模型的参数估计方法 54
2.1.3 模型拟合精度评价准则 60
2.2 海杂波幅度统计特性分析 61
2.2.1 海杂波幅度分布特性 61
2.2.2 海杂波时空相关性 66
2.3 三维时空相关海杂波统计建模方法 73
2.4 基于FPGA平台的海杂波仿真 76
2.4.1 功率谱插值扩展方法 77
2.4.2 HLS优化方法 78
2.4.3 基础运算单元实现 80
2.4.4 总体硬件结构 83
2.4.5 仿真结果分析 88
2.5 本章小结 91
参考文献 91
第3章 基于GO-PO方法的海面目标优化面元电磁散射模型 93
3.1 复杂目标电磁散射的GO-PO方法 93
3.1.1 几何光学方法 94
3.1.2 物理光学方法 95
3.1.3 面元化的GO-PO方法 98
3.2 基于GO-PO方法的海面目标复合电磁散射模型 107
3.2.1 目标与海面复合电磁散射模型的建立 108
3.2.2 算例验证与分析 109
3.2.3 舰船目标与海面复合双站散射特性的研究 113
3.3 基于矩形波束与计算机图形学的复合电磁散射计算加速技术 117
3.4 基于舰船六自由度运动的复合电磁散射模型 121
3.4.1 舰船六自由度运动 122
3.4.2 六自由度运动方程和切片法求解理论 124
3.4.3 二维海面上舰船六自由度运动仿真 131
3.4.4 时变海面与运动舰船散射特性分析 137
3.5 本章小结 140
参考文献 141
第4章 海面舰船复合场景的SAR图像仿真 142
4.1 SAR成像基本原理与方法 143
4.1.1 SAR高分辨原理 143
4.1.2 线性调频信号与脉冲压缩 145
4.2 SAR成像基础算法 147
4.2.1 距离单元徙动 147
4.2.2 RD 雜算法 149
4.2.3 CS 雜算法 154
4.2.4 FS 雜算法 159
4.2.5 BP 雜算法 163
4.3 海面舰船复合场景SAR信号仿真的频域宽带信号模型 163
4.4 海面舰船复合场景SAR图像仿真与特征分析 166
4.4.1 海面舰船正侧视SAR图像仿真与特征分析 166
4.4.2 海面舰船斜视单基SAR图像仿真与特征分析 168
4.5 本章小结 170
参考文献 170
第5章 海面舰船复合场景的ISAR图像仿真 172
5.1 ISAR成像基本原理与方法 173
5.1.1 转台成像原理 173
5.1.2 平动补偿 177
5.1.3 基于RD成像算法的ISAR成像 183
5.2 基于STFT的海上舰船ISAR图像仿真 185
5.2.1 舰船目标ISAR回波模型 185
5.2.2 舰船目标三维转动对多普勒的影响 186
5.2.3 基于STFT的ISAR成像算法 188
5.2.4 目标三维转动ISAR成像分析 189
5.2.5 海上真实舰船目标ISAR图像仿真 195
5.3 基于双线性时频变换方法的中低海况舰船目标ISAR成像 197
5.3.1 中低海况下舰船回波模型 198
5.3.2 基于双线性时频变换的舰船瞬时ISAR成像 198
5.3.3 中低海况下舰船ISAR图像仿真与结果分析 200
5.4 基于CPS的高海况舰船目标ISAR成像 201
5.4.1 高海况下舰船回波模型 201
5.4.2 基于CPS参数估计的舰船瞬时ISAR成像 202
5.4.3 高海况下舰船ISAR图像仿真与结果分析 203
5.5 本章小结 204
参考文献 205
第6章 海面舰船微多普勒特征的仿真分析 208
6.1 舰船六自由度运动引起的微多普勒特征仿真分析 208
6.1.1 雷达中的微多普勒效应 208
6.1.2 舰船六自由度运动引起的微多普勒特征仿真分析 210
6.
试读
第1章基于毛细波相位修正的海面高分辨电磁散射模型
海面的电磁散射特性分析对海洋环境监测、海上目标探测识别等诸多方面都有着重要的应用价值。海面的电磁散射特性与其几何特性紧密相关，海面环境几何模型的建立是分析其电磁散射特性的基础。在真实的海洋环境中，海浪是时刻变化的，而风场是制约海浪生成与成长的重要因素，波与波之间的非线性能量传输使得准确地描述一个具体的海面是十分困难的。此外，重力和海底地形也对海浪本身有着重要的影响。因此，海浪形态及其变化特征的精确建模是一个极其复杂的问题。
在海面的电磁散射特性分析方面，鉴于实际海洋场景在微波频段的电大特性，高频近似方法由于具有高的计算效率和可靠的计算精度而备受青睐，如基尔霍夫近似方法(Kirchhoff approximation method，KAM)[1，2]、微扰法（small perturbation method，SPM)[3，4]、双尺度模型(two scale model，TSM)方法[5]和小斜率近似(small slope approximation，SSA)方法[6，7]等。其中，SSA方法由于具有较大的适用范围和较高的计算精度，近年来在粗糙面电磁散射领域得到了广泛应用。众多学者在海洋环境电磁散射模型研究与特征分析方面开展了深人的理论建模与数值分析研究工作。然而，随着雷达技术的不断发展，相关方法还存在当频率过高或者粗糙面尺寸过大时内存消耗大和计算效率低的问题，因此面向工程应用的微波频段大海面尺寸问题，亟待提出更为高效的电磁散射分析方法。此外，**方法也难以解决实际环境中的高海况问题，因此需要建立一种更为真实可靠的高海况海面电磁散射模型。
1.1海面几何建模方法
在实际的海浪几何模拟中，多采用基于海谱的线性理论、非线性理论研究方法。现存的线性理论研究方法常用的有线性叠加法[8，9]和线性滤波法叫。在此基础上通过引人非线性修正项得到非线性模型，常见的有Creamer模型[12，13]和尖浪[14]模型。关于海浪几何模拟，本节重点介绍基于海谱的线性海面建模。
对于随机粗糙面，某个具体的粗糙面可视为满足其统计规律的所有可能粗糙面中的一个样本。因此，粗糙面建模可以利用统计方法进行，即从其功率谱密度出发进行建模[15]。对于海面，其功率谱也称为海谱，与海面高度起伏的相关函数是一对傅里叶变换与傅里叶逆变换的关系。二维海面功率谱包含不同空间频率和方向的谐波分量的组成信息，而真实海面由于风的影响往往呈现各向异性，在功率谱之外还需要考虑与风向相关的函数，即方向谱函数。二者共同构成海面的二维功率谱。然而二维海谱的直接测量是比较困难的，因此常用的二维海谱大多采用一维能量谱与方向函数相结合的形式，即二维海谱可描述为[16]
(1-1)
其中，为海浪的空间波矢量，分别为屹在方向上的分量；为海浪空间波数；为空间波矢量的方向角；为功率谱；今、为方向函数；为风向角。
事实上，不同波长的波浪有不一样的传播速度，在传播时发生分离，这种现象称为色散现象。不同波长波浪的传播速度由色散关系决定，在忽略非线性作用条件时，波数与角频率之间满足如下关系[17]，即
(1-2)
其中，为重力加速度；是由表面张力、海水密度共同决定的；为水深。
一般地，对于深水环境，因此色散关系在深水环境下可以表示为
(1-3)
由于波数与角频率之间的关系，海谱有时也表示为的形式，其与之间可以根据色散关系进行变换。
1.1.1功率谱
从20世纪50年代起，国内外专家学者开展了大量的海面功率谱测量工作，在工程应用中常见的有PM(Pierson-Moscowitz)谱[18]、JONSWAP(joint North Sea wave project)谱[19]、E(Elfouhaily)谱[16]、文氏谱[15]等。E谱并非直接通过海上测量得到，而是基于水池实验测量数据通过对J0NSWAP谱、PM谱等进行修正得到的。E谱是全波数谱，相对于PM谱和JONSWAP谱，可以更好地同时刻画海浪的重力波成分和张力波成分，因此具有更高的实用价值。本书中的一维功率谱采用E谱开展海面建模工作。E谱可以表示为低频重力波(长波)谱B职和高频毛
细波(短波)谱Bcap的叠加，重力波谱的波长从厘米量级到千米量级不等，而毛细波谱受到表面张力的影响，其波长在厘米量级甚至更小。E谱的表达式为
其中，大尺度重力波谱的具体形式为
(1-4)
其中，
为谱峰值对应的波数；
峰值波数的相速度项，其表达式为
(1-5)
为逆波龄，为风区；为相速度，对应于谱包含了JONSWAP谱中的指数
(1-6)
然而，此处和的取值与JONSWAP谱有所不同，根据逆波龄的大小，和的取值分别为
对于充分发展的海谱，即当风区为无穷大时，进一步地，式(1-4)中的毛细波谱形式与重力波谱类似，表示为
(1-7)
(1-8)
(1-9)
其中，的取值与摩擦风速有关，即
