舰船尾迹的电磁成像机理及特征提取技术

舰船尾迹是真实海场景中不可缺失的部分，是识别舰船目标的类型、位置、航速和航向信息等特征的重要途径。本书共8 章，详细阐述了Kelvin 尾迹、含湍流远场综合尾迹、泡沫流尾迹、近场尾迹、内波尾迹和水下运动目标尾迹的几何建模、电磁散射建模和合成孔径雷达（SAR）成像仿真技术；结合计算流体力学（CFD）仿真技术和电磁散射的调制谱优化面元模型，将仿真模型应用于舰船尾迹的SAR 图像特征检测、基于尾迹的舰船目标参数反演和浮标目标隐蔽优化设计工程中。本书构建了一套基于舰船尾迹流场的电磁散射特性分析和雷达图像仿真的系统理论和应用方法，使读者能够通过本书的学习掌握运动舰船尾迹的电磁散射机理和成像仿真方法，灵活解决实际工程问题。 本书适合从事雷达设计与评估、微波遥感、雷达目标与环境特性、电磁成像算法与图像理解的相关科研工作人员阅读，也可作为高等学校相关专业研究生的教学参考用书。

张民教授，1997年6至今，在西安电子科技大学工作，长期从事复杂目标与环境电磁散射与辐射特性、目标特征识别与电磁成像算法的研究工作。分别于2002年、2003年-2004年和2008年分别赴法国鲁昂大学、新加坡国立大学和法国菲涅尔实验室从事中法优选合作项目、微波集成电路和微波材料表面电磁散射特性的相关研究工作。

第1章 舰船尾迹电磁散射的理论基础001
1.1 海浪和舰船尾迹的基本概念002
1.1.1 海浪仿真002
1.1.2 典型海谱函数005
1.1.3 舰船尾迹的基本类型.011
1.2 海面与舰船尾迹电磁散射的计算基础017
1.2.1 Bragg 散射理论018
1.2.2 半确定面元散射模型020
1.2.3 海面散射场分析023
1.3 本章小结026
参考文献027
第2章 Kelvin 尾迹031
2.1 Kelvin 尾迹流场模型032
2.1.1 船行波基本特征032
2.1.2 Kelvin 尾迹波高场033
2.1.3 Kelvin 尾迹仿真结果035
2.2 海面调制理论037
2.2.1 海浪波的流体力学描述037
2.2.2 倾斜调制038
2.2.3 流体力学调制039
2.2.4 速度聚束调制040
2.2.5 三种调制作用对比041
2.3 速度聚束成像模型与尾迹成像仿真043
2.3.1 实孔径雷达和合成孔径雷达043
2.3.2 Kelvin 尾迹SAR 成像仿真045
2.3.3 Kelvin 尾迹SAR 图像特性分析048
2.3.4 Kelvin 尾迹中的窄尾迹分量057
2.4 本章小结061
参考文献062
第3章 湍流远场综合尾迹063
3.1 远场湍流尾迹的流场仿真064
3.1.1 CFD 理论基础065
3.1.2 基于CFD 理论的远场尾迹仿真068
3.2 调制谱面元散射模型069
3.2.1 调制谱方程070
3.2.2 调制谱源项071
3.2.3 调制谱的求解075
3.2.4 基于调制谱的海面散射078
3.3 湍流尾迹散射场分析079
3.3.1 尾迹的背景波调制作用079
3.3.2 远场综合尾迹SAR 成像083
3.4 本章小结087
参考文献087
第4章 泡沫流尾迹090
4.1 泡沫流尾迹的理论基础090
4.1.1 泡沫层反射率090
4.1.2 泡沫覆盖率093
4.2 泡沫海面的体散射统计模型095
4.2.1 球形气泡的电磁散射特性095
4.2.2 散射矩阵099
4.2.3 泡沫海面体散射的VRT 模型104
4.3 泡沫流尾迹的相干散射场模型.110
4.3.1 泡沫层的相干散射场模型.110
4.3.2 仿真结果与分析.115
4.4 本章小结120
参考文献121
第5章 近场尾迹123
5.1 近场尾迹的几何建模124
5.1.1 尾迹流场仿真设置125
5.1.2 近场尾迹仿真结果126
5.2 近场尾迹电磁散射的算法129
5.2.1 网格转换和消隐处理129
5.2.2 迭代物理光学法（IPO）131
5.2.3 迭代优化技术133
5.3 近场尾迹的电磁散射特性分析134
5.3.1 FBIPO 算法验证与分析134
5.3.2 近场尾迹电磁散射总场分析136
5.3.3 近场尾迹电磁散射场分布139
5.4 本章小结143
参考文献143
第6章 内波尾迹146
6.1 内波尾迹流场特性146
6.1.1 内波尾迹仿真方法146
6.1.2 离散内波层的波动147
6.1.3 扩散内波层的波动151
6.1.4 内波尾迹波高反演156
6.1.5 内波尾迹仿真结果158
6.2 内波尾迹电磁散射计算160
6.2.1 小斜率近似模型160
6.2.2 内波尾迹对海面电磁散射系数的影响163
6.2.3 内波尾迹的电磁散射分布与SAR 成像172
6.3 本章小节182
参考文献183
第7章 水下运动目标尾迹185
7.1 水下运动目标尾迹流场仿真186
7.1.1 均匀流下的水下运动目标尾迹186
7.1.2 内波尾迹与海水密度分层193
7.1.3 任意分层条件下的水下运动目标尾迹196
7.2 水下运动目标尾迹SAR 成像仿真198
7.2.1 水下运动目标尾迹散射场分布198
7.2.2 水下运动目标尾迹SAR 成像200
7.3 本章小结209
参考文献209
第8章 舰船尾迹检测与特征提取212
8.1 舰船尾迹检测基础212
8.1.1 Radon 变换212
8.1.2 尾迹线性特征增强215
8.1.3 尾迹线性特征检测219
8.2 基于神经网络的尾迹SAR 图像检测222
8.2.1 Faster R-CNN222
8.2.2 样本数据处理224
8.2.3 检测结果与分析225
8.3 基于尾迹的舰船参数反演227
8.3.1 基于波幅函数的舰船尺寸反演227
8.3.2 基于尾迹图像的舰船航速估计229
8.3.3 舰船尾迹空间频谱分量分析231
8.4 基于尾迹的浮标目标隐蔽优化方法235
8.4.1 流场仿真与参数设定235
8.4.2 浮标目标的电磁散射特性与SAR 图像237
8.4.3 目标尾迹的可探测性评判标准241
8.4.4 浮标目标的隐蔽优化方法探讨243
8.5 本章小结245
参考文献245