舰船尾迹电磁散射特性及其应用研究

论文摘要

随着隐身技术的发展,以及在复杂海况的影响下,针对舰船本身的探测追踪越来越困难。然而,舰船在航行过程中,会不可避免地产生尾迹。舰船尾迹具有尺度大、存在时间长的特点,且在各种海况下都不会在短时间内被消除,其可见光、红外以及合成孔径雷达（SAR）成像的回波特征可作为良好的信号源进行探测,能够弥补对舰船本身探测识别的局限性。探测舰船尾迹不仅可以获得舰船的吃水深度、航速等重要信息,而且可以判别舰船类型及航行状态,以至于可以间接识别运动舰船本身。因此,研究舰船尾迹在海上目标探测、国防安全等方面具有重要的应用价值和学术意义。本论文紧紧围绕舰船尾迹这一特殊目标,通过建立尾迹几何模型,分析了Kelvin尾迹和湍流尾迹的形态及组成特征,运用物理光学法（PO）、半确定性面元散射方法（SDFSM）、矢量辐射传输理论（VRT）和Mie理论分别建立了舰船Kelvin尾迹、湍流尾迹的电磁散射模型,获得了相关散射特性。在此基础上,考虑尾迹具有电大目标的特性,利用SAR成像的基本原理,结合GPU并行加速技术提升计算效率,实现了尾迹的SAR成像模拟,使研究更具实际意义。本论文的主要工作如下:1.重点研究了Kelvin尾迹和湍流尾迹的形成机理和快速几何建模方法。利用Elfouhaily海谱和Longuet-Higgins方向分布函数建立风驱海面模型。考虑到尾迹与粗糙海面并存的现象,提出了强度拟合叠加方法,有效且合理地建立了尾迹-海面复合三维几何模型。2.利用周期表面散射方法建立了Kelvin臂区域的电磁散射模型。详细推导了任意入射角下的周期表面的散射系数公式。通过对有限长周期表面散射截面公式的改进,近似得到无限长周期表面散射截面公式,在一定条件下将无限长和有限长周期表面的散射问题相统一。考虑到Kelvin尾迹,尤其是在Kelvin臂区域处具有明显的周期结构,利用周期表面散射算法对Kelvin臂区域的散射截面进行仿真,分析了船速、船体大小和入射参数对尾迹散射强度分布的影响。3.建立了含泡沫湍流的舰船尾迹的电磁散射模型。以Mie理论为基础,分别研究了单层和双层球形粒子的散射问题,运用矢量辐射传输理论（VRT）研究了湍流尾迹中的泡沫的体-面复合散射特性。利用实验所获得的尾迹泡沫的粒径分布函数,分区域计算了湍流尾迹的散射系数,实现了湍流尾迹的电磁散射仿真。4.实现了电大区域的含尾迹海面电磁散射的并行加速计算。考虑到含有尾迹的海域具有电大尺度的特性,为提高计算效率,结合半确定性面元散射模型算法的特点,利用GPU-CUDA并行加速技术中的异步传输、共享存储器等优化技术对算法进行优化,实现了含尾迹的电大海面的SAR成像仿真的优化算法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号对照表
• 缩略语对照表
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 国内外研究概况与发展趋势
•     1.2.1 舰船尾迹几何建模
•     1.2.2 多尺度海面电磁散射
•     1.2.3 舰船尾迹的SAR成像
•     1.2.4 GPU并行加速技术在电磁散射中的应用
•   1.3 论文主要工作及框架结构
•   1.4 论文的主要特色及创新点
• 第二章 海面舰船尾迹的产生机理及几何建模
•   2.1 引言
•   2.2 Kelvin尾迹的产生机理及建模
•   2.3 湍流尾迹的产生机理及建模
•   2.4 海谱模型及海面建模
•     2.4.1 典型海谱模型:Elfouhaily谱
•     2.4.2 角度分布函数
•     2.4.3 海谱及海面几何建模
•   2.5 舰船尾迹与海面的几何模型叠加
•   2.6 本章小结
• 第三章 周期表面散射方法近似计算Kelvin臂的电磁散射
•   3.1 引言
•   3.2 周期表面的电磁散射的公式推导
•     3.2.1 任意入射角下的周期表面的电磁散射场
•     3.2.2 周期介质分界面处的耦合矩阵方程
•   3.3 正弦周期介质表面的电磁散射
•     3.3.1 正弦周期表面散射场的解析公式
•     3.3.2 周期表面的散射截面的近似计算
•     3.3.3 散射截面公式推导
•   3.4 算法正确性检验及仿真分析
•     3.4.1 正确性检验
•     3.4.2 周期个数对散射结果的影响
•     3.4.3 各因素对散射强度分布的影响
•     3.4.4 散射截面仿真及分析
•   3.5 利用周期表面散射特性计算Kelvin尾迹的散射
•   3.6 本章小结
• 第四章 含Kelvin尾迹海面的电磁散射
•   4.1 引言
•   4.2 物理光学法
•   4.3 半确定性面元电磁散射模型的建立
•     4.3.1 大尺度重力波对应的镜像散射机制
•     4.3.2 小尺度张力波对应的Bragg散射机制
•     4.3.3 基于斜率调制的复合电磁散射方法
•   4.4 含尾迹海面的电磁散射仿真
•     4.4.1 利用PO计算含尾迹海面的单/双站散射
•     4.4.2 利用SDFSM仿真含尾迹海面的散射强度分布
•   4.5 本章小结
• 第五章 电大区域尾迹海面的电磁散射并行计算
•   5.1 引言
•   5.2 GPU及 CUDA技术简介
•     5.2.1 GPU简介
•     5.2.2 CUDA的软件结构
•   5.3 电大区域尾迹海面电磁散射高性能并行计算
•     5.3.1 并行算法设计
•     5.3.2 并行算法优化
•   5.4 并行程序计算结果
•     5.4.1 含风驱泡沫海面的散射的并行计算
•     5.4.2 含Kelvin尾迹海面的散射的并行计算
•   5.5 本章小结
• 第六章 利用矢量辐射传输理论计算含泡沫湍流尾迹电磁散射
•   6.1 引言
•   6.2 泡沫粒子特性
•     6.2.1 海水介电常数建模
•     6.2.2 湍流尾迹中的泡沫粒径分布
•   6.3 泡沫粒子的电磁散射模型
•     6.3.1 利用矢量辐射传输理论求解泡沫散射系数
•     6.3.2 粒子的散射系数和消光系数
•   6.4 多尺度电大区域海面中泡沫的散射
•     6.4.1 海面泡沫覆盖率
•     6.4.2 含泡沫海面的电大区域电磁散射计算
•   6.5 湍流尾迹中的泡沫体散射
•     6.5.1 有限区域下泡沫粒子的体散射
•     6.5.2 各参量对湍流尾迹泡沫的体散射的影响
•     6.5.3 利用实测数据仿真湍流尾迹散射系数
•   6.6 舰船尾迹与海面的复合散射
•   6.7 本章小结
• 第七章 舰船尾迹SAR成像仿真
•   7.1 引言
•   7.2 SAR成像机理
•     7.2.1 距离向分辨率
•     7.2.2 方位分辨率
•   7.3 运动目标在SAR成像中的速度聚束效应
•   7.4 SAR成像模拟
•     7.4.1 海面SAR成像
•     7.4.2 舰船尾迹SAR成像
•     7.4.3 用SAR图像反演船速
•   7.5 本章小结
• 第八章 结束语
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介

文章来源

类型: 博士论文

作者: 韦尹煜

导师: 吴振森

关键词: 舰船尾迹,周期结构,电磁散射,矢量辐射传输,并行

来源: 西安电子科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 物理学,船舶工业

单位: 西安电子科技大学

分类号: O441;U675.7

DOI: 10.27389/d.cnki.gxadu.2019.003160

总页数: 161

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