多尺度電大區(qū)域粗糙海面后向雷達回波分區(qū)并行計算方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種多尺度電大區(qū)域粗糙海面后向雷達回波計算方法，采用基于高斯 雷達波束照射下電大區(qū)域粗糙海面后向雷達回波特性分區(qū)并行計算方法，高斯波束照射能 有效減少邊界效應，分區(qū)可以計算多尺度電大區(qū)域粗糙海面，并行計算可以提高計算效率。
【背景技術】
[0002] 電磁散射研宄在海洋上的遙感、目標探測與追蹤以及SAR成像等領域起著極為重 要的作用，一直以來傳統(tǒng)的高頻計算海面電磁散射方法是通過求集平均的方法來統(tǒng)計得到 海面總回波系數(shù)的，無法體現(xiàn)出單個海面不同區(qū)域回波貢獻；而數(shù)值計算方法由于計算內 存問題對大區(qū)域海面無能無力，而且上述方法照射源為平面波，與真實雷達波束照射不符， 并且隨著合成孔徑雷達的發(fā)展，為了充分描述海面不同區(qū)域的分布特征，需要得到具體雷 達波束照射的大區(qū)域海面回波特性。
[0003] 針對不同的雷達波束參數(shù)，大區(qū)域海面對應了不同的散射機制，其中大尺度重力 波對應小入射角下鏡面反射，小尺度張力波對應中等以上入射角下布拉格散射，而對于重 力波與張力波的截斷頻率一直是一個難點，早期簡單基于電磁波波數(shù)，缺乏針對性變化。隨 著海情的增大，海面上方將會出現(xiàn)泡沫覆蓋區(qū)域，大多數(shù)文獻基于實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計擬合得到 泡沫覆蓋率，無法分析具體海面的泡沫分布情況。根據(jù)目前檢索國內外資料表明，分析雷達 波束照射下大區(qū)域海面不同區(qū)域回波特性還未見報道。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術問題是：提供一種基于高斯雷達波束照射下多尺度電大區(qū) 域粗糙海面后向雷達回波特性分區(qū)并行計算方法，采用角譜展開方法將高斯波束展開為不 同平面波的疊加，利用截斷頻率將粗糙海面分為大尺度重力波與小尺度張力波，利用布拉 格波長對大區(qū)域粗糙面進行分區(qū)，利用面元雙尺度法及矢量疊加原理進行遠場計算，，并利 用GPU及CUDA對海面進行并行模擬及針對各個分區(qū)海面進行電場的并行計算，結合電場矢 量疊加原理求得總的散射場。
[0005] 為解決上述技術問題，本發(fā)明的技術方案是：一種基于高斯雷達波束照射下多尺 度電大區(qū)域粗糙海面后向雷達回波特性分區(qū)并行計算方法，其特征在于，包括以下步驟： (1) 確定高斯波束坐標系、多尺度粗糙海面坐標系及兩者間的變換關系； (2) 給出雷達高斯波束的傍軸近似，并對其進行平面波譜展開； (3) 利用疊加法模擬不同海情大尺度粗糙海面，根據(jù)Bragg波長對粗糙海面進行分區(qū)， 并利用Z-Buffer方法進行面元遮擋判斷； (4) 基于入射頻率與風速求得截斷頻率&，利用面元雙尺度及場的矢量疊加原理求得 高斯波束照射下多尺度粗糙海面后向散射場； (5) 為了提高效率，利用GPU及CUDA對海面進行并行模擬及針對各個分區(qū)進行并行計 算，結合電場矢量疊加原理求解總的散射系數(shù)，提高計算效率。
[0006] 所述的步驟（2)中給出雷達高斯波束的傍軸近似，并對其進行平面波譜展開： 翏 一鯊_ */
其中，坐標系基于波束坐標系，忽略時間因子exp<i￡a〇，W〇為；=0處的束腰半 徑，
b展開各個平面 波復振幅；以上為水平極化，利用高斯波束在于方向對稱性可得到垂直極化。
[0007] 所述的步驟（3)利用疊加法模擬不同海情大尺度粗糙海面，根據(jù)Bragg波長對大 尺度粗糙海面進行分區(qū)，并利用Z-Buffer方法進行面元遮擋判斷； 大區(qū)域海面不同區(qū)域對應不同散射機理，大尺度重力波對應小角度鏡面反射， 小尺度張力波對應布拉格散射；隨著海情增大，出現(xiàn)泡沫覆蓋區(qū)域，出現(xiàn)粒子與粗糙 面耦合散射機理；因此需將海面分區(qū)進行計算；這里提出根據(jù)布拉格波長進行分區(qū)：
(4) 其中，表示布拉格波的波長，y[為電磁波入射波波長，0表示入射角；利用Z-Buffer消隱算法計算遮蔽函數(shù)。
[0008]將所述的步驟（4)基于入射頻率與風速求得截斷頻率&，利用面元雙尺度及場 的矢量疊加原理求得高斯波束照射下多尺度粗糙海面后向散射場： a、粗糙海面截斷頻率&的選取條件為：
其中，I為重力波與張力波的截斷頻率，S(k^)為二維功率譜，f為小尺度波 高起伏的均方差，<2為大尺度坡度的均方差。
[0009]b、面元雙尺度求解多尺度粗糙海面后向散射場公式為：
其中，計算不同區(qū)域重力波鏡面反射場，f13##計算的是不同區(qū)域張力pq,mn ^ pqjnn 波的布拉格散射場。
[0010] 將所述的步驟（5)基于步驟（3)的海面模擬及步驟（4)的電磁散射場 計算，利用GPU及CUDA對海面并行模擬及針對各個分區(qū)海面并行計算，對于每個區(qū)域， 海面的電磁散射計算是獨立的，適合并行計算。求得各個子區(qū)域的電場，最終利用場的矢量 疊加原理求得總的散射場，提高計算效率。
[0011] 采用了上述技術方案，本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明采用角譜展開法將高斯波束 展開為不同平面波的疊加，根據(jù)布拉格波長將海面進行分區(qū)，基于入射頻率與風速求得截 斷頻率，利用面元雙尺度法獲得粗糙海面后向電磁散射系數(shù)。本發(fā)明所述的方法既有清晰 的物理意義又適合實際雷達探測情況，并利用分區(qū)思想解決了大區(qū)域海面電磁散射計算重 大技術難題，對分析大區(qū)域海面雷達回波特性具有重要的意義。
【附圖說明】
[0012] 圖1是本發(fā)明大區(qū)域含泡沫多尺度粗糙海面回波并行計算流程圖； 圖2是本發(fā)明中涉及的高斯波束散射示意圖。
【具體實施方式】
[0013] 參見圖1和圖2,本發(fā)明的具體實現(xiàn)步驟如下： 步驟1，確定雷達高斯波束坐標系、粗糙海面坐標系及兩者間的變換關系 粗糙海面和雷達(探測器）往往都定義在以各自為中心的局部坐標系下，需要依據(jù)不同 的需求對其進行變換：如當研宄粗糙海面回波特性時，需將探測器變換到以海面為中心的 坐標系中；當要確定波束照射海面時各個區(qū)域的照射情況時，需將海面區(qū)域變換到以探測 器為中心的坐標系中（為常規(guī)技術)。
[0014] 步驟2,給出雷達高斯波束的傍軸近似，并對其進行平面波譜展開。