一种舰船尾迹雷达回波仿真方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种舰船尾迹雷达回波仿真方法及系统，所述方法包括建立海面几何模型和舰船尾迹几何模型；叠加所述海面几何模型和所述舰船尾迹几何模型，建立海面与舰船尾迹的一体化复合场景；根据所述一体化复合场景对其进行电磁散射计算，形成舰船尾迹雷达回波。所述系统包括：几何建模单元，用于建立海面几何模型和舰船尾迹几何模型；一体化建模单元，用于叠加所述几何建模单元中的海面几何模型和舰船尾迹几何模型，建立海面与舰船尾迹的一体化复合场景；电磁计算单元，用于根据所述一体化建模单元提供的一体化复合场景对其进行电磁散射计算，形成舰船尾迹雷达回波。本发明适用于目标识别与仿真【技术领域】。
【专利说明】一种舰船尾迹雷达回波仿真方法及系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及目标识别与仿真【技术领域】，特别是指一种舰船尾迹雷达回波仿真方法 及系统。
【背景技术】
[0002] 在星载和机载雷达对海面目标探测和电磁成像中，运动舰船的尾迹表现出强散射 特性，不同舰船在不同运动状态时所具有舰船尾迹的电磁散射特征不同，该电磁散射特征 是复杂海环境中目标精确预估、识别和信号分离技术的关键所在，其应用涉及军用遥感、雷 达成像、制导和预警技术等众多领域。
[0003] 近十几年来，欧洲遥感卫星（European Remote Sensing Satellite，ERS)-1 和 ERS-2获得了许多包含舰船尾迹的合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR)图像。 多数国家都有关于仿真尾迹SAR回波和SAR图像研宄，目的是通过不同的观测参数对舰船 尾迹SAR图像进行仿真，来确定对不同类型舰船尾迹的最佳SAR观测条件。如Tunaley等 对舰船湍流尾迹和开尔文（Kelvin)尾迹的SAR图像进行了仿真，但是没给出具体的模型和 方法；Oumansour分别仿真了 L和X波段雷达参数下的Kelvin尾迹SAR图像，对比分析了 不同雷达频段对Kelvin尾迹的观测效果。用电磁模拟仿真的方法来研宄SAR对舰船尾迹 的成像，是得到对舰船尾迹最佳观测参数的一种重要手段。然而，对舰船尾迹雷达实测数据 稀缺且理论模型过于简化，严重制约舰船尾迹检测和识别。
【发明内容】
[0004] 本发明要解决的技术问题是提供一种舰船尾迹雷达回波仿真方法及系统，以解决 现有技术所存在的舰船尾迹雷达实测数据稀缺且理论模型过于简化的问题。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种舰船尾迹雷达回波仿真方法，包 括：
[0006] 建立海面几何模型和舰船尾迹几何模型；
[0007] 叠加所述海面几何模型和所述舰船尾迹几何模型，建立海面与舰船尾迹的一体化 复合场景；
[0008] 根据所述一体化复合场景对其进行电磁散射计算，形成舰船尾迹雷达回波。
[0009] 可选地，所述建立海面几何模型和舰船尾迹几何模型包括：
[0010] 根据海谱模型的线性过滤法来实现海面几何模型；
[0011] 根据舰船尺寸和运动参数来建立具体的舰船尾迹几何模型。
[0012] 可选地，所述叠加所述海面几何模型和所述舰船尾迹几何模型，建立海面与舰船 尾迹的一体化复合场景包括：
[0013] 叠加所述海面几何模型和所述舰船尾迹几何模型；
[0014] 利用三角面元建立海面与舰船尾迹的一体化复合场景。
[0015] 可选地，所述根据所述一体化复合场景对其进行电磁散射计算，形成舰船尾迹雷 达回波包括：
[0016] 将所述的一体化复合场景大尺度轮廓划分为一个个小平面，同时将各个小平面按 照海面的确定模拟样本的斜率特征来倾斜；
[0017] 利用斜率叠加双尺度面元模型和基于海谱分布的单元场散射模型分别对所述小 平面的面元和面元内的毛细波结构进行电磁散射计算，确定各面元的散射场；
[0018] 将各面元贡献的散射场进行相关叠加形成总的散射贡献，最终形成舰船尾迹雷达 回波。
[0019] 可选地，所述舰船尾迹几何模型包括：开尔文尾迹、湍流尾迹、内波尾迹和潜艇尾 迹。
[0020] 本发明实施例所述的舰船尾迹雷达回波仿真方法，通过建立海面几何模型和舰船 尾迹几何模型，并叠加所述海面几何模型和所述舰船尾迹几何模型，从而建立海面与舰船 尾迹的一体化复合场景，并根据所述一体化复合场景对其进行电磁散射计算，形成舰船尾 迹雷达回波。如此，通过建立海面和舰船尾迹的一体化复合场景能够为舰船尾迹的检测和 识别提供模型参考，对所述一体化复合场景进行电磁散射计算形成的舰船尾迹雷达回波， 能够为舰船尾迹的检测和识别提供完整的数据信息，同时该方法还能突破天气、目标和传 感器等方面的局限。
[0021] 另一方面，本发明实施例提供一种舰船尾迹雷达回波仿真系统，包括：
[0022] 几何建模单元：用于建立海面几何模型和舰船尾迹几何模型；
[0023] 一体化建模单元：用于叠加所述几何建模单元中的海面几何模型和舰船尾迹几何 模型，建立海面与舰船尾迹的一体化复合场景；
[0024] 电磁计算单元：用于根据所述一体化建模单元提供的一体化复合场景对其进行电 磁散射计算，形成舰船尾迹雷达回波。
[0025] 可选地，所述几何建模单元包括：
[0026] 海面建模模块：用于根据海谱模型的线性过滤法来建立海面几何模型；
[0027] 舰船建模模块：用于根据舰船尺寸和运动参数来建立具体的舰船尾迹几何模型。
[0028] 可选地，所述一体化建模单元包括：
[0029] 第一叠加模块：用于叠加所述海面几何模型和所述舰船尾迹几何模型；
[0030] 一体化建模模块：用于利用三角面元建立海面与舰船尾迹的一体化复合场景。
[0031] 可选地，所述电磁计算单元包括：
[0032] 划分模块：用于将所述的一体化复合场景大尺度轮廓划分为一个个小平面，同时 将各个小平面按照海面的确定模拟样本的斜率特征来倾斜；
[0033] 电磁计算模块：用于利用斜率叠加双尺度面元模型和基于海谱分布的单元场散射 模型分别对所述小平面的面元和面元内的毛细波结构进行电磁散射计算，确定各面元的散 射场；
[0034] 第二叠加模块：用于将各面元贡献的散射场进行相关叠加形成总的散射贡献，最 终形成舰船尾迹雷达回波。
[0035] 可选地，所述舰船尾迹几何模型包括：开尔文尾迹、湍流尾迹、内波尾迹和潜艇尾 迹。
[0036] 本发明实施例所述的舰船尾迹雷达回波仿真系统，通过几何建模单元建立海面几 何模型和舰船尾迹几何模型，并通过一体化建模单元叠加所述几何建模单元中的海面几何 模型和舰船尾迹几何模型，从而建立海面与舰船尾迹的一体化复合场景，并通过电磁计算 单元根据所述一体化建模单元提供的一体化复合场景对其进行电磁散射计算，形成舰船尾 迹雷达回波。如此，通过建立海面和舰船尾迹的一体化复合场景能够为舰船尾迹的检测和 识别提供模型参考，对所述一体化复合场景进行电磁散射计算形成的舰船尾迹雷达回波， 能够为舰船尾迹的检测和识别提供完整的数据信息，同时该系统还能突破天气、目标和传 感器等方面的局限。
[0037] 本发明的上述技术方案的有益效果如下：
[0038] 上述方案中，如此，通过建立海面和舰船尾迹的一体化复合场景能够为舰船尾迹 的检测和识别提供模型参考，对所述一体化复合场景进行电磁散射计算形成的舰船尾迹雷 达回波，能够为舰船尾迹的检测和识别提供完整的数据信息，同时该方法或者系统还能突 破天气、目标和传感器等方面的局限。
【专利附图】
【附图说明】
[0039] 图1为本发明实施例一提供的舰船尾迹雷达回波仿真方法流程图；
[0040] 图2为全局直角坐标系与本地坐标系示意图；
[0041] 图3为本发明实施例提供的海面和舰船尾迹的一体化复合场景示意图；
[0042] 图4为本发明实施例提供的HH极化下的面元后向散射系数分布图；
[0043] 图5为本发明实施例提供的HH极化下的场景后向散射系数分布图；
[0044]图6为本发明实施例提供的VV极化下的场景后向散射系数分布图；
[0045] 图7为本发明实施例提供的VV极化下的SAR图像；
[0046] 图8为本发明实施例提供的HH极化下的SAR图像；
[0047] 图9为本发明实施例二提供的舰船尾迹雷达回波仿真系统的结构示意图；
[0048] 图10为图9中几何建模单元单元101的结构示意图；
[0049] 图11为图9中一体化建模单元102的结构示意图；
[0050] 图12为图9中电磁计算单元103的结构示意图。
【具体实施方式】
[0051] 为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具 体实施例进行详细描述。
[0052] 本发明针对现有的存在的舰船尾迹雷达实测数据稀缺且理论模型过于简化的问 题，提供一种舰船尾迹雷达回波仿真方法及系统。
[0053] 实施例一
[0054] 参看图1所示，本发明实施例提供的舰船尾迹雷达回波仿真方法的具体实施方 式，该方法包括以下步骤：
[0055] SlOl :建立海面几何模型和舰船尾迹几何模型。
[0056] S102 :叠加所述海面几何模型和所述舰船尾迹几何模型，建立海面与舰船尾迹的 一体化复合场景。
[0057] S103 :根据所述一体化复合场景对其进行电磁散射计算，形成舰船尾迹雷达回波。
[0058] 以下对图1中各步骤的具体实施方法进行详细说明。
[0059] SlOl中，所述建立海面几何模型和舰船尾迹几何模型的步骤包括：
[0060] 根据海谱模型的线性过滤法来实现海面几何模型，同时根据舰船尺寸和运动参数 来建立具体的舰船尾迹几何模型，其中，所述舰船尾迹几何模型包括：开尔文尾迹、湍流尾 迹、内波尾迹和潜艇尾迹。
[0061] S102中，叠加 SlOl中所述海面几何模型和所述舰船尾迹几何模型，建立海面与舰 船尾迹的一体化复合场景的步骤包括：
[0062] 叠加所述海面几何模型和所述舰船尾迹几何模型，并利用三角面元建立海面与舰 船尾迹的一体化复合场景。
[0063] 如图3所示为海面和舰船尾迹的一体化复合场景示意图，该基于三角面元的一体 化复合场景能够逼真模拟含有舰船尾迹的海面，通过设置海面几何模型和舰船尾迹几何模 型的参数可以模拟不同海况和不同目标的舰船尾迹。
[0064] 如图4所示，展示的是与图3所示的一体化复合场景对应的HH极化下的面元后向 散射系数分布图，可见二者具有很高的相关性。由此可见，上述实施例通过建立海面和舰船 尾迹的一体化复合场景能为舰船尾迹的检测和识别提供模型参考。
[0065] 其中，所述建立海面与舰船尾迹的一体化复合场景中舰船尾迹以Kelvin尾迹 为例，Kelvin尾迹是由船体对水面的扰动直接产生的一种表面波尾迹，通常由扩散波 (Divergent Waves)和横断波（Transverse Waves)组成。Kelvin尾迹波属于长重力波，尾 迹表面起伏最大的区域位于尾迹角为16°至19. 5°之间，在这个区域，扩散波和横断波发 生相互干涉形成尖头波（Cusp Waves)。
[0066] 假定舰船以速度Us沿着X方向航行，产生的自由表面波沿着与X轴夹角为Θ的 不同角度传播，相应的Kelvin尾迹波高可以用这些平面波的叠加表示为式（1):
【权利要求】
1. 一种舰船尾迹雷达回波仿真方法，其特征在于，包括： 建立海面几何模型和舰船尾迹几何模型； 叠加所述海面几何模型和所述舰船尾迹几何模型，建立海面与舰船尾迹的一体化复合 场景； 根据所述一体化复合场景对其进行电磁散射计算，形成舰船尾迹雷达回波。
2. 根据权利要求1所述的舰船尾迹雷达回波仿真方法，其特征在于，所述建立海面几 何模型和舰船尾迹几何模型包括： 根据海谱模型的线性过滤法来实现海面几何模型； 根据舰船尺寸和运动参数来建立具体的舰船尾迹几何模型。
3. 根据权利要求1所述的舰船尾迹雷达回波仿真方法，其特征在于，所述叠加所述海 面几何模型和所述舰船尾迹几何模型，建立海面与舰船尾迹的一体化复合场景包括： 叠加所述海面几何模型和所述舰船尾迹几何模型； 利用三角面元建立海面与舰船尾迹的一体化复合场景。
4. 根据权利要求1所述的舰船尾迹雷达回波仿真方法，其特征在于，所述根据所述一 体化复合场景对其进行电磁散射计算，形成舰船尾迹雷达回波包括： 将所述的一体化复合场景大尺度轮廓划分为一个个小平面，同时将各个小平面按照海 面的确定模拟样本的斜率特征来倾斜； 利用斜率叠加双尺度面元模型和基于海谱分布的单元场散射模型分别对所述小平面 的面元和面元内的毛细波结构进行电磁散射计算，确定各面元的散射场； 将各面元贡献的散射场进行相关叠加形成总的散射贡献，最终形成舰船尾迹雷达回 波。
5. 根据权利要求1所述的舰船尾迹雷达回波仿真方法，其特征在于，所述舰船尾迹几 何模型包括：开尔文尾迹、湍流尾迹、内波尾迹和潜艇尾迹。
6. -种舰船尾迹雷达回波仿真系统，其特征在于，包括： 几何建模单元：用于建立海面几何模型和舰船尾迹几何模型； 一体化建模单元：用于叠加所述几何建模单元中的海面几何模型和舰船尾迹几何模 型，建立海面与舰船尾迹的一体化复合场景； 电磁计算单元：用于根据所述一体化建模单元提供的一体化复合场景对其进行电磁散 射计算，形成舰船尾迹雷达回波。
7. 根据权利要求6所述的舰船尾迹雷达回波仿真系统，其特征在于，所述几何建模单 元包括： 海面建模模块：用于根据海谱模型的线性过滤法来建立海面几何模型； 舰船建模模块：用于根据舰船尺寸和运动参数来建立具体的舰船尾迹几何模型。
8. 根据权利要求6所述的舰船尾迹雷达回波仿真系统，其特征在于，所述一体化建模 单元包括： 第一叠加模块：用于叠加所述海面几何模型和所述舰船尾迹几何模型； 一体化建模模块：用于利用三角面元建立海面与舰船尾迹的一体化复合场景。
9. 根据权利要求6所述的舰船尾迹雷达回波仿真系统，其特征在于，所述电磁计算单 元包括： 划分模块：用于将所述的一体化复合场景大尺度轮廓划分为一个个小平面，同时将各 个小平面按照海面的确定模拟样本的斜率特征来倾斜； 电磁计算模块：用于利用斜率叠加双尺度面元模型和基于海谱分布的单元场散射模 型分别对所述小平面的面元和面元内的毛细波结构进行电磁散射计算，确定各面元的散射 场； 第二叠加模块：用于将各面元贡献的散射场进行相关叠加形成总的散射贡献，最终形 成舰船尾迹雷达回波。
10.根据权利要求6所述的舰船尾迹雷达回波仿真系统，其特征在于，所述舰船尾迹几 何模型包括：开尔文尾迹、湍流尾迹、内波尾迹和潜艇尾迹。
【文档编号】G01S7/40GK104459643SQ201410508417
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年9月29日 优先权日:2014年9月29日
【发明者】陈勇, 元旭津, 武亚军, 王晓冰 申请人:北京环境特性研究所, 上海无线电设备研究所