CN108680915B - 雷达波束下含破碎浪及泡沫海面散射分区并行计算方法 - Google Patents

雷达波束下含破碎浪及泡沫海面散射分区并行计算方法 Download PDF

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Abstract

一种雷达波束下含破碎浪及泡沫海面散射分区并行计算方法，包括步骤：建立三维含破碎浪及泡沫电大尺寸非线性海面复合模型；对雷达主波束进行一级子波束分解分区，对子波束进行角谱展开；对不含泡沫海面二级分区，建立确定性面散射系数模型；对含静态泡沫海面进行二级分区，建立确定性体面散射系数模型；对含动态泡沫的破碎浪进行二级分区，建立确定性破碎浪及泡沫体面散射系数模型；利用CUDA对两重分区分别并行计算，并利用散射系数的非相干叠加得到总散射系数。优点是，雷达波束照射下利用波束分解对含破碎浪及泡沫海面进行分区，利用角谱展开结合相应的高频算法提供一种准确有效的计算含破碎浪及泡沫的电大尺寸非线性海面散射特性的方法。

Description

雷达波束下含破碎浪及泡沫海面散射分区并行计算方法
技术领域
本发明涉及一种雷达波束下含破碎浪及泡沫海面散射分区并行计算方法，利用波束分解和角谱展开可针对含有浪涌、泡沫、破碎浪等复杂海态、海况下的海面结构进行分区，并结合不同的算法并行处理，有效提高计算效率。
背景技术
小擦地角下海杂波特性研究一直都是军事探测和民用遥感领域的热点问题，而雷达波束以小擦地角入射时会在海面形成巨大的照射区域，使得物理分析和数学求解变得异常复杂。巨大照射面积下往往会包含多种海态和海况，可能既有普通的浪涌又有卷曲破碎浪和泡沫，不同海表面对雷达后向回波的影响不同，很难用一种方法同时高效地求解各种海表面形态。
为了充分描述海面不同区域尤其是破碎区域的散射特征，利用波束分解结合角谱展开方法模拟真实的雷达照射波束，波束分解将大尺度波束分解成不同幅度的小尺度波束，各小尺度波束通过相干叠加得到和大尺多波束相同的效果。用角谱展开方法将不同照射区域的子波束展开为不同平面波的叠加。对不含破碎浪的普通海面利用面元双尺度法进行求解；利用IPO-EEC方法求解破碎浪多次散射和绕射的影响；针对海面上方出现泡沫覆盖区域，利用矢量辐射传输理论，求解泡沫层的影响。
目前还没有一种能够针对不同区域采用不同方法，并考虑不同因素的影响，利用并行技术加速进行计算的方法，现存方法存在计算效率低，计算结果不准确的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种雷达波束下含破碎浪及泡沫海面散射分区并行计算方法，建立含破碎浪及泡沫的非线性海面复合模型，并利用波束分解对含破碎浪及泡沫海面进行分区，利用角谱展开结合不同算法分别对不同子区域下的面元并行计算，利用散射系数分非相干叠加得到含破碎浪及泡沫海面总散射系数。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：雷达波束下含破碎浪及泡沫海面散射分区并行计算方法，包括以下步骤：
(1)建立三维含破碎浪及泡沫电大尺寸非线性海面复合模型。
(2)对雷达主波束进行一级子波束分解分区，对子波束进行角谱展开。
(3)对不含泡沫海面二级分区，建立确定性面散射系数模型；对含静态泡沫海面进行二级分区，建立确定性体面散射系数模型。
(4)对含动态泡沫的破碎浪进行二级分区，建立确定性破碎浪及泡沫体面散射系数模型。
(5)利用CUDA(统一计算设备架构)对两重分区分别并行计算，并利用散射系数的非相干叠加得到总散射系数。
所述的步骤1)中建立三维含破碎浪及泡沫电大尺寸非线性海面复合模型，利用动态泡沫和静态泡沫的覆盖率结合斜率判据分别得到动态泡沫及破碎浪的分布位置以及静态泡沫在海面的分布位置；
所述的步骤2)对雷达主波束进行波束分解，使之分解为一系列具有不同振幅及照射区域的子波束，根据子波束照射区域对含破碎浪及泡沫电大尺寸非线性海面复合模型进行一级分区，分为含动态泡沫的破碎浪部分，含静态泡沫的海面部分以及不含泡沫的普通海面部分，基于GPU及CUDA，将三部分分别放置不同的grid中，使得不同区域可利用不同算法并行计算。同时利用傍轴近似，将子波束展开为一系列不同振幅的平面波，作为以下高频算法的入射激励。
所述的步骤3)中，对不含泡沫的电大尺寸海面进行二级分区，利用面元双尺度法求解确定性海面面元散射系数；对含静态泡沫的电大尺寸海面进行二级分区，利用矢量辐射传输方法结合面元双尺度法，求解确定性体面散射系数。基于CUDA，将每一面元分别放置不同的thread中并行运算。
所述的步骤4)中，对含泡沫破碎浪进行二级分区，对平面波照射区域利用基于面元的迭代物理光学法(IPO)及等效边缘电磁流法(EEC)求解破碎浪散射系数，其中利用IPO方法考虑破碎浪与海面耦合作用，利用EEC考虑破碎浪劈绕射作用；结合利用矢量辐射传输理论，求解确定性破碎浪上动态泡沫层的影响。基于CUDA，将每一面元分别放置不同的thread中并行运算。
所述的步骤5)中，基于步骤(1)的含破碎浪及泡沫复合海面模拟及步骤(2)(3)、(4)分别利用IPO-EEC法计算破碎浪散射系数和双尺度面元法计算得到的普通海面散射系数并考虑动态泡沫和静态泡沫对其的影响进行非相干叠加，利用CUDA对两级分区分别并行计算，可得到含破碎浪及泡沫海面散射系数。
采用了上述技术方案，本发明的有益效果在于，在雷达波束照射下，基于波束分解对含破碎浪海面进行分区，利用角谱展开结合高频算法含破碎浪及泡沫非线性电大尺寸海面分区并行计算提供一种准确有效的计算含破碎浪及泡沫电大尺寸复合海面散射系数并行计算方法。
附图说明
图1是本发明含破碎浪电大尺寸海面并行计算流程图；
图2是本发明中风速为20m/s时，破碎浪及泡沫在电大尺寸海面上的分布图。
具体实施方式
下面结合实例对本发明进一步说明。
参照图1和图2，本发明的具体实现步骤如下：
步骤1，建立多尺度非线性海面模型,面元个数为M×N，得到海面高度起伏沿风向的斜率，从而得到斜率沿风向概率密度分布函数。根据下式得到动态泡沫及静态泡沫的覆盖率
Figure BDA0001570806570000041
其中，对于动态泡沫有a＝5，对于静态泡沫有a＝0.8，Λ(c,u10)为单位面积单位速度间隔内破碎波的平均长度，g为重力加速度，u10为海面上方10m处的风速，c表示波速。
根据下式，可以得到不同风速下的动态泡沫及静态泡沫的覆盖厚度：
Figure BDA0001570806570000051
其中，
Figure BDA0001570806570000052
对二维破碎浪x轴沿风向进行旋转，并沿风向垂直方向进行三维扩展，得到三维含风向破碎浪。根据动态泡沫覆盖率，求解沿风向斜率
Figure BDA0001570806570000053
最大的面元个数为NC＝FC(U10)×M×N,并求出这NC面元中的最小斜率，标记为c1，若满足
Figure BDA0001570806570000054
则用破碎浪替换该海面面元，从而得到含破碎浪海面结构建模，并在破碎浪处覆盖满足动态泡沫厚度的泡沫层。根据静态泡沫层覆盖率，求解沿风向斜率次大的面元个数为NS＝FS(U10)×M×N，并求出这NS个面元中的最小斜率，标记为c2，若满足
Figure BDA0001570806570000055
则将该面元覆盖满足静态泡沫厚度的泡沫层，如图2所示为风速20m/s时的海面破碎浪及泡沫分布，海面尺寸为192m×192m，灰度图中黑色背景为普通海面，白色区域为破碎浪及动态泡沫分布位置，灰色区域为静态泡沫分布位置。
步骤2，将主波束用子波束展开为如下形式：
Figure BDA0001570806570000056
其中
Figure BDA0001570806570000057
为主波束电场，
Figure BDA0001570806570000058
表示子波束电场，Wmn为子波束权重因子。ΔX与ΔY分别为子波束沿x轴和y轴的偏移量。将整个海面分为含动态泡沫的破碎浪部分，含静态泡沫的海面部分以及不含泡沫的普通海面部分，结合子波束的照射区域分别计算。对子波束进一步利用角谱展开为平面波形式：
Figure BDA0001570806570000061
其中wi(kyi,kxi)为展开的各个平面波复振幅。
步骤3，利用将面元双尺度法计算一级分区确定性面元散射场
Figure BDA0001570806570000062
其中，
Figure BDA0001570806570000063
为海面重力波的镜像散射场，
Figure BDA0001570806570000064
为海面张力波的Bragg散射场，下标mn表示第mn个面元，从而得到确定性面元的散射系数
Figure BDA0001570806570000065
对含静态泡沫区域利用矢量辐射传输理论可以得到单个面元含静态泡沫覆盖的破碎浪的散射系数：
Figure BDA0001570806570000066
其中
Figure BDA0001570806570000067
Figure BDA0001570806570000068
Figure BDA0001570806570000069
其中，θi为单个面元的局部入射角，ke与ks分别为单个粒子的消光系数及散射系数，Rmn-hh与Rmn-vv分别为经过倾斜面元调制的水平和垂直极化菲涅尔反射系数，-2kedssecθi为经过厚度为ds的静态泡沫粒子层的散射和吸收的衰减因子。
步骤4，利用迭代物理光学法求解破碎浪劈尖处组成的腔体散射及与之相邻海面部分的多次散射。利用阻抗劈绕射系数得到阻抗劈等效边缘电磁流，用电磁流辐射积分可得劈尖绕射场。利用场的矢量叠加性可得到单个破碎浪的散射场：
Figure BDA0001570806570000071
其中，
Figure BDA0001570806570000072
为不同破碎浪破碎波腔体多次散射以及与之相邻海面耦合散射的散射场，
Figure BDA0001570806570000073
为不同区域破碎浪劈尖绕射场。从而得到确定性破碎浪的散射系数
Figure BDA0001570806570000074
利用矢量辐射传输理论，可以得到单个破碎浪含动态泡沫覆盖的破碎浪的散射系数：
Figure BDA0001570806570000075
其中
Figure BDA0001570806570000076
Figure BDA0001570806570000077
Figure BDA0001570806570000078
其中，σbw为单个破碎波的散射系数，-2kedcsecθi为经过厚度为dc的泡沫粒子层的散射和吸收的衰减因子。
步骤5，利用IPO-EEC法计算破碎浪散射系数和双尺度面元法计算得到的普通海面散射系数并考虑动态泡沫和静态泡沫对其的影响进行非相干叠加如下：
Figure BDA0001570806570000081
其中，
Figure BDA0001570806570000082
不含破碎浪及泡沫的海面散射系数，
Figure BDA0001570806570000083
为考虑了动态泡沫影响的破碎波散射系数，
Figure BDA0001570806570000084
为考虑了静态泡沫影响的海面散射系数，A为雷达照射区域面积。利用CUDA对两级分区分别并行计算，可得到含破碎浪及泡沫海面散射系数。
采用了上述技术方案，本发明的有益效果在于，基于波束分解对含破碎浪海面进行分区，利用角谱展开结合高频算法含破碎浪电大尺寸海面分区并行计算提供一种准确有效的计算含破碎浪及泡沫电大尺寸复合海面散射系数并行计算方法。本发明不局限于上述具体的实施方式，本领域的普通技术人员从上述构思出发，不经过创造性的劳动，所作出的种种变换，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种雷达波束下含破碎浪及泡沫海面散射分区并行计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)建立三维含破碎浪及泡沫电大尺寸非线性海面复合模型；
(2)对雷达主波束进行一级子波束分解分区，对子波束进行角谱展开；
(3)对不含泡沫海面二级分区，建立确定性面散射系数模型；对含静态泡沫海面进行二级分区，建立确定性体面散射系数模型；
(4)对含动态泡沫的破碎浪进行二级分区，建立确定性破碎浪及泡沫体面散射系数模型；
利用迭代物理光学法求解破碎浪劈尖处组成的腔体散射及与之相邻海面部分的多次散射；利用阻抗劈绕射系数得到阻抗劈等效边缘电磁流，用电磁流辐射积分可得劈尖绕射场；利用场的矢量叠加性可得到单个破碎浪的散射场：
Figure 968853DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 417152DEST_PATH_IMAGE002
为不同破碎浪破碎波腔体多次散射以及与之相邻海面耦合散射的散射场，
Figure 118261DEST_PATH_IMAGE003
为不同区域破碎浪劈尖绕射场；从而得到确定性破碎浪的散射系数
Figure 247891DEST_PATH_IMAGE004
；利用矢量辐射传输理论，可以得到单个破碎浪含动态泡沫覆盖的破碎浪的散射系数：
Figure 859001DEST_PATH_IMAGE005
其中
Figure 415884DEST_PATH_IMAGE006
其中，
Figure 355021DEST_PATH_IMAGE007
为经过厚度为
Figure 85080DEST_PATH_IMAGE008
的泡沫粒子层的散射和吸收的衰减因子，
Figure 488379DEST_PATH_IMAGE009
为单个面元的局部入射角，
Figure 403114DEST_PATH_IMAGE010
为单个粒子的消光系数，
Figure 891865DEST_PATH_IMAGE011
和
Figure 425614DEST_PATH_IMAGE012
分别为经过倾斜面元调制的水平和垂直极化菲涅尔反射系数；
(5)利用CUDA对两重分区分别并行计算，并利用散射系数的非相干叠加得到总散射系数。
2.根据权利要求1所述的雷达波束下含破碎浪及泡沫海面散射分区并行计算方法，其特征在于，步骤1）中的含破碎浪及泡沫非线性海面几何结构建模，利用动态泡沫和静态泡沫的覆盖率结合斜率判据分别得到动态泡沫及破碎浪的分布位置以及静态泡沫在海面的分布位置。
3.根据权利要求1所述的雷达波束下含破碎浪及泡沫海面散射分区并行计算方法，其特征在于，步骤(2)中将雷达主波束进行波束分解,使之分解为一系列具有不同振幅及照射区域的子波束，根据子波束照射区域对含破碎浪及泡沫电大尺寸非线性海面复合模型进行一级分区，分为含动态泡沫的破碎浪部分，含静态泡沫的海面部分以及不含泡沫的普通海面部分，基于GPU(图形处理单元)及CUDA，将三部分分别放置不同的grid(线程网)中，使得不同区域可利用不同算法并行计算；同时利用傍轴近似，将子波束展开为一系列不同振幅的平面波，作为以下高频算法的入射激励。
4.根据权利要求1所述的雷达波束下含破碎浪及泡沫海面散射分区并行计算方法，其特征在于，步骤（3）中对不含泡沫的电大尺寸海面进行二级分区，利用面元双尺度法求解确定性海面面元散射系数；对含静态泡沫的电大尺寸海面进行二级分区，利用矢量辐射传输方法结合面元双尺度法，求解确定性体面散射系数；基于CUDA，将每一面元分别放置不同的thread(线程)中并行运算。
5.根据权利要求1所述的雷达波束下含破碎浪及泡沫海面散射分区并行计算方法，其特征在于，步骤(4)中对含泡沫破碎浪进行二级分区，对平面波照射区域利用基于面元的迭代物理光学法IPO及等效边缘电磁流法EEC求解破碎浪散射系数，其中利用IPO方法考虑破碎浪与海面耦合作用，利用EEC考虑破碎浪劈绕射作用；结合利用矢量辐射传输理论，求解确定性破碎浪上动态泡沫层的影响；基于CUDA，将每一面元分别放置不同的thread中并行运算。
6.根据权 利要求1所述的雷达波束下含破碎浪及泡沫海面散射分区并行计算方法，其特征在于，步骤（2）、（3）、（4）、（5）中利用CUDA对两级分区分别并行计算，利用散射系数的非相干叠加得到各区域散射系数分布以及总散射系数，提高计算效率。
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