基于非线性一维海面分形模型的电磁散射系数估计方法

摘要

本发明公开了基于非线性一维海面分形模型的电磁散射系数估计方法，属于海面电磁散射系数估计的研究领域，首先建立新的非线性海面分形模型，这种海面模型以水波的二阶解为基础，新的海面模型可反映出波浪的波峰波谷不对称的非线性特征，然后基于此非线性模型利用Kirchhoff近似方法计算海面的电磁散射系数，最终得到较线性模型更为准确的海面散射系数估计值，更加灵活的反映了不同海况的散射结果，具有估计准确，运算量小的特点。

主权项

1.基于非线性一维海面分形模型的电磁散射系数估计方法，其特征在于，包括下列步骤： 步骤1：选定待观测的海面区域，对于海面观测区域有如下要求： a)该海面观测区域要求为开域海面，并且在观测区域以及观测区域以外大于海面波长的范围内不存在障碍物，所述障碍物包括建筑、船只； b)海面观测区域的海床在时间和空间上变化缓慢，即在时间上海床是时不变的或者变化非常缓慢；在空间上海床形状比较平坦； 步骤2：提取该海面观测区域的水波参数，包括最大波数值k₀，幅度A，水深h： 步骤3： 步骤3-1：对于单个波浪的海面水位高度η，两种海面波浪的表达式如下，其中k是单个波浪的波数： a)对于有限水深即h<100米情况下的水波二阶波浪方程： 其中θ＝kx-ωt是海面波浪的相位；x是在所观测海面区域的二维平面坐标系中观测点的水平坐标位置；t为观测时刻；ω是波浪的频率，g是重力加速度；ch和sh分别为双曲余弦和双曲正弦函数；海面水位高度η的下标2表示波浪方程是根据二阶Stokes波浪理论建立的；b)对于无限水深即h>100米情况下的水波二阶波浪方程： 参数θ，x，t与有限水深情况下的二阶波浪方程中含义相同； 步骤3-2：令k＝k₀，按照如下方法求出有限水深和无限水深情况下波浪的波谷波峰比c： a)对于有限水深即h<100米情况下的波谷波峰比按照下式获得： 波谷波峰比其中η_{2_trough}和η_{2_crest}分别为波浪的波谷值和波峰值，并通过下式获得：b)对于无限水深即h>100米情况下的波谷波峰比通过下式获得： 波谷波峰比其中η_{trough_inf}和η_{crest_inf}分别为无限水深波浪的波谷和波峰值，且满足：步骤4：选定观测海面区域的海浪谱Wω； 步骤5：根据所选的海浪谱，计算海面的标准差σ； 步骤6：建立基于水波的二阶解的海面分形模型如下： 其中： 该模型中Ψ_nx＝x+V-ω_n/k₀bⁿt；κ＝(1+c)/2c；r是观测海面某点x与海面区域所建立坐标系原点之间所包含的波浪周期数；σ是步骤5获得的海面的标准差；k₀是步骤2获得的观测海面的最大波数值；b是海面分形模型的尺度因子，s是海面的分形维度；x是在所观测海面区域的二维平 面坐标系中观测点的水平坐标位置；t为观测时刻；V是观测平台的速度，观测平台包括采用固定平台、卫星或者飞机平台，V=0时即计算固定观测平台发射电磁波的海面散射系数；φ_nt是在0和2π之间均匀分布的随机变量；并且其中归一化因子假设待观测海面区域由N_f个波浪叠加而成，T_n是海面分解N_f个波浪的周期由大到小顺序排列的第n个周期，步骤7： 根据海面的分形模型，获得海面模型的相关长度ξ₀从而确定观测海面的长度2L，所述相关长度ξ₀满足相关长度ξ₀的范围的边界和的获得方法如下：a)设是线性模型的相关长度，其中k₀是步骤2获得的观测海面的最大波数值，从而满足b)设是线性模型：的相关长度，其中k₀是步骤2获得的观测海面的最大波数值，从而满足观测海面区域的长度2L选取为50个相关长度以上； 步骤8：由步骤6中所得到的海面分形模型，计算海面的散射系数。