CN117310634B - 一种与真实海洋环境时空匹配的海洋杂波动态模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于海洋杂波动态模拟技术领域，公开了一种与真实海洋环境时空匹配的海洋杂波动态模拟方法。本发明采用全球海洋环境参数数据构建COAWST耦合模式初始场并生成海洋环境参数，用改进后的E‑LPM微扰法建立海面电磁散射模型模拟特定海域的海洋运动，成功实现了不同海区海情海况下雷达海面回波的大区域高精度精细化动态仿真模拟，其中利用改进后的E‑LPM微扰法建立海面电磁散射模型，能够更精确的反演出特定海域的不同海况下海杂波分布及变化趋势，实现准确实时显示模拟动态海面、雷达回波、杂波统计分布以及多普勒回波强度图，有效解决了不同区域不同海情海况条件下海杂波样本数量不足的难题。
Description
技术领域
本发明属于海洋杂波动态模拟技术领域，涉及一种与真实海洋环境时空匹配的海洋杂波动态模拟方法。
背景技术
传统的海杂波模拟大多基于有限实测数据的统计特性提取进行简单模拟，由于此类方法并没有从海杂波产生的物理机制出发，因此其生成的模拟杂波数据并无法与海域、海况、雷达参数等变化因素真正匹配，尤其是与恶劣海情海况条件下的实际海杂波特性相去甚远。
传统海杂波模拟对真实海洋环境的复杂性和动态变化无法准确建模，并且由于计算资源和时间的限制，常规的海洋杂波模拟方法可能只能考虑有限的空间范围和时间段，导致模拟结果无法全面反映整个海洋环境的变化和影响。许多常规的海洋杂波模拟技术需要较长的计算时间才能生成结果，无法满足实时应用的需求。不同海情海况尤其是恶劣海况条件下海杂波实测数据不足且采集难度巨大，各国对海杂波测量非常重视，公开数据非常少，而高效准确的海杂波信号模拟对海杂波特性分析的研究尤其重要。
因此，为了解决不同海区海况条件下雷达海杂波样本采集困难现状，提高复杂海况背景下的雷达目标临界信杂比检测性能，高效开展海杂波特性分析，亟需提出一种动态海洋杂波模拟方法，以实现精确匹配海情海况参数的雷达海面回波大区域精细化动态仿真模拟。
发明内容
本发明的目的在于提出一种与真实海洋环境时空匹配的海洋杂波动态模拟方法，以根据真实海洋环境数据生成高度准确的海洋杂波场景，使得模拟结果更接近真实情况。
本发明为了实现上述目的，采用如下技术方案：
一种与真实海洋环境时空匹配的海洋杂波动态模拟方法，包括如下步骤：
步骤1. 用COAWST模型生成海洋环境参数，包括波高、波向、波周期、风速及风向；
步骤2. 基于步骤1中生成的包括波高、波向、波周期、风速及风向在内的海洋环境参数，利用电磁散射理论建立重力波和张力波叠加的三维海面模型；
步骤3. 利用改进后的E-LPM微扰法建立海面电磁散射模型，并与生成的三维海面模型进行耦合得到海面雷达回波，获得模拟海杂波时间序列，实现海面回波信号的仿真。
本发明具有如下优点：
如上述所述，本发明针对不同海区海况条件下雷达海杂波样本采集困难现状，面向复杂海况背景下的雷达目标临界信杂比检测性能提升需求，提出了一种与真实海洋环境时空匹配的海洋杂波动态模拟方法，本发明基于海面动态海浪谱建模、大区域精细化复合海面建模、海面电磁散射计算等技术，采用全球海洋环境参数数据构建COAWST耦合模式初始场，并生成海洋环境参数，用改进后的E-LPM微扰法建立海面电磁散射模型，从而可以模拟特定海域的海洋运动，如涡旋、锋面、内波等，成功实现了不同海区海情海况下雷达海面回波的大区域高精度精细化动态仿真模拟。本发明利用改进后的E-LPM微扰法建立海面电磁散射模型，能够更精确的反演出特定海域的不同海况下海杂波分布及变化趋势，实现准确实时显示模拟动态海面、雷达回波、杂波统计分布以及多普勒回波强度图，可以有效解决不同区域不同海情海况条件下海杂波样本数量不足的难题。此外，本发明能够提供不同海况、雷达参数下的海杂波模拟数据，以更简单快速的验证杂波抑制和雷达目标检测算法的性能，成功解决了雷达外场实验各种环境因素不可控制的问题，可有效提高研发工作效率。
附图说明
图1为基于3D海面与电磁散射的海杂波模拟原理图。
图2为COAWST耦合模式初始场构建及耦合实现示意图。
图3为三维海面建模仿真设计图。
图4为Elfouhaily海谱表面电磁散射几何示意图。
图5为雷达与动态物理海面的几何模型。
图6为本发明实施例中与真实海洋环境时空匹配的海洋杂波动态模拟方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
如图6所示，一种与真实海洋环境时空匹配的海洋杂波动态模拟方法，包括如下步骤：
步骤1. 基于WOA（全球海洋数据）、ECMWF欧洲中尺度天气预报中心、HYCOM（RSMAS机构研发的海洋模式）、Argo（浮标数据）此类开源数据源提供的全球海洋环境参数数据构建COAWST耦合模式初始场，并用COAWST模型生成海洋环境参数，包括波高、波向、波周期、风速及风向，如图1所示。
COAWST耦合模式初始场构建及耦合实现示意图如图2所示。
COAWST模型中包括大气模式WRF、海洋模式ROMS和海浪模式SWAN三个模式，各个模式之间利用模式耦合工具包MCT进行通信，以简化并行耦合建模系统的编程。通过MCT耦合器的“即插即拔”方式，实现大气模式WRF、海洋模式ROMS以及海浪模式SWAN之间双向参数传递和物理量交换以及对耦合模式积分运行的控制。
COAWST耦合模式初始场构建涉及大量不同时间尺度和空间尺度的数据应用。大气模式WRF采用两重网格嵌套，采用UCAR（大气再分析数据，）提供的分辨率为2分的WRF地形数据和ERA5再分析资料，经过WPS预处理生成模式初、边界场，ERA5空间分辨率为0.25°x0.25°，时间分辨率为1小时。海洋模式ROMS网格分辨率为1/26°，采用分辨率为2分的ETOPO2地形数据，初边界场采用1/12°x1/12°分辨率的HYCOM或者1/2°-1/8分辨率的CORA（海洋再分析数据）数据，时间分辨率为1天。潮汐强迫采用俄勒冈州立大学(OSU)提供的TPXO潮数据，分辨率025°x025。ROMS单独运行时强迫场仍然采用ERA5数据，耦合时强迫场由大气模式WRF提供。海浪模式SWAN网格分辨率同ROMS，采用热启动方式，边界场采用NCEP提供的WW3全球海浪数据，包含波高、波向、波周期，分辨率为0.5°x05°。SWAN单独运行时风场仍然采用ERA5数据，耦合时风场由大气模式WRF提供。
将静态地形数据和动态气象数据输入到大气模式WRF预处理模块构建大气模式的背景场，WRF的输出作为海洋模式ROMS和海浪模式SWAN的强迫场。WRF将气象方案中计算的短波辐射通量、长波辐射通量提供给ROMS，给ROMS提供上边界条件；ROMS中计算的高时空分辨率海表温度影响大气边界层中的通量传输，并且给WRF提供底边界条件。WRF将气象方案组合计算得到的相对湿度，海表大气温度、大气压强等环境特征参数，云、雨等天气条件以及感热通量、潜热通量等海气相互作用的重要参数传递给ROMS。WRF将风场提供给ROMS以计算出风应力，提供给SWAN用于波浪参数的计算，包括海表粗糙度，有效波高以及波长， SWAN将计算的波浪参数传递给WRF和ROMS；而ROMS将海表流速、水深数据传递给SWAN。
WRF、ROMS和SWAN各分量模式积分控制函数中均加入耦合控制函数并予以调用使用；WRF、ROMS和SWAN按各自的网格、控制参数和驱动文件进行并行计算；到达设置的数据交换时间，各分量模式首先将需要交换的变量传输给MCT，之后MCT会将需要交换的变量按照控制文件的要求分别提供给各耦合需求模式；对于积分时间步长不同的子模式，采用将各分量模式的耦合数据交换设置在一个时间公共点上进行、输出耦合数据。对耦合数据进行数据分析，得到区域海浪模式分量数据中的波高、波向、波周期、风速及风向。
步骤2. 基于步骤1中生成的包括波高、波向、波周期、风速及风向等在内的海洋环境参数，利用电磁散射理论建立重力波和张力波叠加的三维海面模型。
步骤2.1. 建立三维海面模型，建模时海浪谱模型采用描述低、高频的全向Elfouhaily海谱模型，数学表达式为：
步骤2.1. 建立三维海面模型，建模时海浪谱模型采用描述低、高频的全向Elfouhaily海谱模型，数学表达式为：。
其中，SE表示Elfouhaily海谱模型的数学表达式，k表示波数；l、h分别代表低、高频， Bl(k)、Bh(k)分别表示重力波、毛细波曲率谱。
重力波曲率谱的形式为：。
其中：为广义重力波平衡区域参数，/>；
为谱峰处的波相速度，/>；
为波相速度，/>；
为重力波边缘效应函数，/>；
为逆波龄，/>为海面10m处的风速， g为重力加速度，/> = 370 rad/m；
为峰值逆波龄，则/>；
为风向与频谱峰值处的波向之间的夹角；
表示PM谱形参数，/>表示峰增强因子；
建模方法使用线性叠加法，对于时变线性海面，定义海浪谱的角频率ω及波数/>的采样数量为M，方位角/>的采样数量为N；海面上点(x,y)在时刻t的高度/>表示为：
；
其中，表示二维海浪谱，/>、/>、/>、/>分别表示为组成波的波数、角频率、方向角和初始相位。
基于线性叠加法建立仿真海面，利用真实海洋环境参数为输入，建立各海域三维仿真海面。基于线性叠加法建立仿真海面时，海谱模型选择Goda改进JONSWAP重力波谱联合Elfouhaily张力波谱，方向分布函数选择Elfouhaily谱双边余弦方向分布函数。
步骤2.2. 利用GPU平台进行海面并行建模加速，采用基于图形处理单元(Graphic Processor Unit，GPU)加速的时变海面高性能建模方法以建立不同海域不同时刻的三维仿真海面。加入波浪要素输入后的海面仿真建模设计如图3所示。
步骤3. 用改进后的E-LPM微扰法建立海面电磁散射模型，并与生成的三维海面模型进行耦合得到海面雷达回波，获得模拟海杂波时间序列，实现海面回波信号的仿真。
该步骤3中，利用改进后的E-LPM微扰法计算场强、偏振系数和电磁散射系数，建立海面电磁散射模型。计算海面电磁散射时，首先将粗糙海面可剖分成多个的倾斜小面元，计算每个小面元上的基于海面重力波引起的准镜面散射及毛细波引起的 Bragg 散射。采用改进的微扰法计算各面元的场强、偏振系数和电磁散射系数，完成海面电磁散射建模过程。
步骤3.1. 利用改进后的E-LPM微扰法计算场强、偏振系数和电磁散射系数。
场强计算过程如下：
微扰法适用和情况下，其中，为入射波数，和分别为
Elfouhaily海谱表面的均方根高度和相关长度。
设一个单位平面波以指数形式入射到如图4所示的Elfouhaily海谱表面z(x,y)上。定义介质1为空气，介质2为Elfouhaily海谱表面。
z(x,y)代表一个轻微粗糙的表面，并对z(x,y)进行傅立叶变换：
；
；
其中，Z(k1x,k1y)表示对z(x,y)的傅里叶变换；k1x、k1y表示介质1中x、y方向上的入射波数；i表示复数单位，i的平方值为-1。
通过x、y、z三个平面的平面波的叠加，表示x平面上半空间即介质1中的散射场：
；
；
；
其中，Ex、Ey、Ez分别表示x、y、z方向上的散射场；
U(k1x,k1y)表示介质1中x、y方向上的场强幅度，θi表示介质1的入射角度，如图4所
示，RHH表示水平极化，k1z表示介质1 中z方向的波数；。得到散射场
Ex、Ey、Ez方便下一步求得界面处的场强ΔEx、ΔEy、ΔEz。
则界面处场强，通过边界条件求解；边界条件如下：
；
；
；
；
其中，μr表示介质系数； E＇x、E＇y、E＇z分别表示介质2中x、y、z方向上的场强。
，，。
将上述三个场方程代入，则：
，。
其中，表示电场矢量增量；Ux、Uy、Uz、Dx、Dy、Dz分别为x、y、z方向上的平面波和
增量；k2x、k2y、k2z表示介质2 中x、y、z方向的入射波数。
通过上述公式求解Ux、Uy、Uz、Dx、Dy、Dz；为了引用边界条件，在z(x,y)时计算场强；假设k1z很小，则所有包含k1z的指数项都能够展开为泰勒级数。
将扩展为扰动级数，。
其中，Ux1、Ux2、Ux3、Ux4分别表示x方向上扰动级数分别为1、2、3、4时的平面波，因此，利用二阶近似得到界面处的场，如下所示：
；
；
其中，Dx1、Dx2分别表示为介质1、2中x方向上的增量。将上述两个公式代入、
表达式和边界条件可求得计算得到界面处x、y、z方向上的场强：
；
；
；
其中，ΔEx、ΔEy、ΔEz分别表示界面处x、y、z方向上的场强； Dy1、Dy2、Dz1、Dz2分别表示介质1、2中y方向和z方向上的增量，Ux2、Uy2、Uz2表分别表示介质2中x、y、z方向上的平面波。
；
。
其中，θt表示介质2中的入射角度，如图4所示，k2表示介质2的入射波数，εr表示介质2对介质1的相对介电常数。
偏振系数的计算过程如下：
为了获得散射场的偏振系数，选择垂直和水平极化散射波的单位极化矢量作为标
准球坐标系中的单位矢量和。
；
；
其中，、、分别表示介质2中x、y、z方向上的散射场，、分别表示介质1中
的入射角度。因此，获得水平偏振散射场，如下所示：
。
其中，，。
因此表达式简化为：
。
所以计算得到偏振系数、的表达式：
。
。
其中，，，。
散射系数的计算过程如下：
场强度表达式如下：
。
其中，表示极化系数，下标p和q表示不同的极化状态，本方法中使用了水平极
化，且水平极化系数的表达式如下：
。
由此得到水平散射系数公式：
。
其中，是Elfouhaily海谱表面的一个谱函数，表达式如下：
；
将代入表达式得到散射系数公式，即：
。
得到场强、偏振系数和电磁散射系数，即可完成建立海面电磁散射模型过程。由于建立海面电磁散射模型过程比较常规，并非本发明的创新之处，此处不再赘述。
步骤3.2. 生成海面回波信号。
首先建立电磁散射模型雷达发射线性调频信号，其表达形式为：
；
；
其中，表示电磁散射模型雷达发射线性调频信号表达式，为脉冲宽度，
为发射信号载频，为调频率，称为快时间，即电磁波传播时间，为慢时间，即脉冲的发
射时刻；雷达与动态物理海面的几何模型如图5所示。以场景的中心点作为原点，建立参考
坐标系OXYZ，初始时刻雷达所处位置为。
当雷达照射波长较长时，将海面等效为众多面元散射单元，且认为其散射主要集
中在面元中心；首先计算出各散射单元的回波信号，再将各散射单元回波信号进行叠加，即
得到某一时刻海面的总回波信号；海面是动态时变的，因此利用步骤2生成P点坐标高度，在
不同采样时刻海面上任一点P的坐标表示为，则雷达与各散射单元之间
的瞬时距离表示为：。
雷达接收到的回波信号方程式为：
。
式中，表示回波信号，为第n个散射单元的散射系数，为采样时刻
雷达与各散射单元之间的斜距，为天线双路图增益。
由上述步骤得到海面雷达回波，从而实现海面回波信号的仿真。
该海面回波信号的仿真过程如下：
步骤3.2.1. 进行第一次采样；
步骤3.2.2. 模拟生成的物理海面划分为多个小面元，重复3.1步骤循环计算各面元的场强、偏振系数和电磁散射系数；判断面元是否照射到，如果没有照射到，则视为无效面元，没有回波反射；
步骤3.2.3. 根据雷达与各面元的相对位置计算斜距和所处距离门；
步骤3.2.4. 将各面元的电磁散射系数和斜距代入回波方程式，得到该时刻各面元回波信号，并与其他面元回波信号相叠加，即可得到某一时刻海面的总回波信号；
步骤3.2.5. 进入下一个采样周期，重复步骤3.2.2至步骤3.2.4，直到结束。
当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。
Claims (8)
1.一种与真实海洋环境时空匹配的海洋杂波动态模拟方法，其特征在于，
包括如下步骤：
步骤1.用COAWST模型生成海洋环境参数，包括波高、波向、波周期、风速及风向；
步骤2.基于步骤1中生成的包括波高、波向、波周期、风速及风向在内的海洋环境参数，利用电磁散射理论建立重力波和张力波叠加的三维海面模型；
步骤3.利用改进后的E-LPM微扰法建立粗海面电磁散射模型，并与生成的三维海面模型进行耦合得到海面雷达回波，获得模拟海杂波时间序列，实现海面回波信号的仿真。
2.根据权利要求1所述的海洋杂波动态模拟方法，其特征在于，
所述步骤1中，COAWST模型中包括大气模式WRF、海洋模式ROMS和海浪模式SWAN三个模式，各个模式之间利用模式耦合工具包MCT进行通信，以简化并行耦合建模系统的编程；通过MCT耦合器的即插即拔方式，实现大气模式WRF、海洋模式ROMS以及海浪模式SWAN之间双向参数传递和物理量交换以及对耦合模式积分运行的控制。
3.根据权利要求1所述的海洋杂波动态模拟方法，其特征在于，
所述步骤3中，用改进后的E-LPM微扰法建立海面电磁散射模型的过程如下：
利用改进后的E-LPM微扰法计算场强、偏振系数和电磁散射系数，建立海面电磁散射模型；计算海面电磁散射时，首先将海面剖分成多个的倾斜小面元，计算每个倾斜小面元上的基于海面重力波引起的准镜面散射及毛细波引起的Bragg散射，然后采用改进的微扰法计算各倾斜小面元的场强、偏振系数和电磁散射系数，完成海面电磁散射建模过程。
4.根据权利要求3所述的海洋杂波动态模拟方法，其特征在于，
所述步骤3中，场强计算过程如下：
设一个单位平面波以指数形式入射到Elfouhaily海谱表面z(x,y)上，定义介质1为空气，介质2为Elfouhaily海谱表面，对z(x,y)进行傅立叶变换：
其中，Z(k1x,k1y)表示对z(x,y)的傅里叶变换；
k1x、k1y表示介质1中x、y方向上的入射波数；i表示复数单位；
通过x、y、z三个平面的平面波的叠加，表示x平面上半空间即介质1中的散射场：
其中，Ex、Ey、Ez分别表示x、y、z方向上的散射场；
U(k1x,k1y)表示介质1中x、y方向上的场强幅度，θi表示介质1的入射角度，RHH表示水平极化，k1z表示介质1中z方向的波数；f＝exp(-ik1xx-ik1yy-ik1zz)；
则界面处场强，通过边界条件求解，并将求解的结果代入得到：
k1zUz＝k1xUx+k1yUy，k2zDz＝k2xDx+k2yDy；
其中，表示电场矢量增量；Ux、Uy、Uz、Dx、Dy、Dz分别为x、y、z方向上的平面波和增量；k2x、k2y、k2z表示介质2中x、y、z方向的入射波数；
将Ux扩展为扰动级数，Ux＝Ux1+Ux2+Ux3+Ux4+...；
其中，Ux1、Ux2、Ux3、Ux4分别表示x方向上扰动级数分别为1、2、3、4时的平面波，因此，利用二阶近似得到界面处的场，如下所示：
其中，Dx1、Dx2分别表示为介质1、2中x方向上的增量；将Ex、Ex′公式代入k1zUz、k2zDz表达式和边界条件，求得计算得到界面处x、y、z方向上的场强：
其中，ΔEx、ΔEy、ΔEz分别表示介质1中x、y、z方向上的场强；Dy1、Dy2、Dz1、Dz2分别表示介质1、2中y方向和z方向上的增量，Ux2、Uy2、Uz2表分别表示介质2中x、y、z方向上的平面波；
其中，θt表示介质2中的入射角度，k2表示介质2的入射波数，εr表示介质2对介质1的相对介电常数，μr表示介质系数。
5.根据权利要求4所述的海洋杂波动态模拟方法，其特征在于，
所述步骤3中，边界条件如下：
其中，E＇x、E＇y、E＇z分别表示介质2中x、y、z方向上的场强；
6.根据权利要求4所述的海洋杂波动态模拟方法，其特征在于，
所述步骤3中，偏振系数的计算过程如下：
为了获得散射场的偏振系数，选择垂直和水平极化散射波的单位极化矢量作为标准球坐标系中的单位矢量和/>
其中，分别表示介质2中x、y、z方向上的散射场，θs、φs分别表示介质1中的入射角度；因此，获得水平偏振散射场/>如下所示：
其中，k1x＝-k1 sinθs cosφs，k1y＝-k1 sinθs sinφs；
因此表达式简化为：
所以计算得到偏振系数β1、β2的表达式如上：
其中，k2 cosθt＝k2(μrεr-sin2θi)1/2，Z＝Z(k1x+k1 sinθi,k1y)。
7.根据权利要求6所述的海洋杂波动态模拟方法，其特征在于，
所述步骤3中，散射系数的计算过程如下：
场强度Epq表达式如下：
其中，αpq表示极化系数，下标p和q表示不同的极化状态；
由此得到散射系数公式：
其中，W(k)是Elfouhaily海谱表面的一个谱函数，表达式如下：
将W(k)代入σpq表达式得到散射系数公式，即：
其中，δ和l分别为Elfouhaily海谱表面的均方根高度和相关长度。
8.根据权利要求7所述的海洋杂波动态模拟方法，其特征在于，
所述步骤3中，在计算散射系数过程中，极化状态为水平极化；
水平极化系数的表达式如下：
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