基于Elfouhaily海谱的双尺度海面激光雷达后向散射计算方法

基于elfouhaily海谱的双尺度海面激光雷达后向散射计算方法
技术领域
1.本发明属于风驱粗糙海面激光散射回波分析领域，特别是一种基于elfouhaily海谱的双尺度海面激光雷达后向散射计算方法。


背景技术：

2.地球表面上71％的区域都是海洋，其不仅蕴含着巨大的动力资源，还有着丰富的物产资源。对于海洋的探测，海洋遥感技术已经有了一定的进步与发展，其中雷达扮演着重要的角色，而雷达海面回波承载着海面上风场、海浪、海温、海洋盐度、叶绿素含量等许多有价值的信息，海面电磁散射研究在海面遥感、海上目标探测、海上环境检测等领域也都有着较广泛的应用。关于海面电磁散射的研究，在微波领域已有较多的研究，而随着激光雷达的发展，其在遥感探测的高度、空间上的分辨率、时间上的连续监测和测量精度等方面均具有独特的优势，因此在海洋探测领域，激光海面散射特性的研究近年来逐渐受到关注，但对于能够较好的的描述海面双尺度结构并对双尺度准确分解的激光散射特性方法还相对缺乏。
3.现有的海面电磁散射的计算方法大致分为解析近似法和数值计算法两种。数值计算法具有较高的精度，但对于激光的波长量级，存在着运算量大的缺点；近似法主要有基尔霍夫近似方法、微扰法、积分方程方法、双尺度方法等，其中基尔霍夫近似方法又称为切平面近似法，是将粗糙曲面用局部切平面代替，由菲涅耳反射定律获得切平面的总场，从而近似计算远区散射场，但将海面看作单一尺度的粗糙面，利用基尔霍夫近似方法计算，在中等及大入射角下精度不足。双尺度方法是把粗糙面分成大尺度与小尺度两种尺度成分，且小尺度粗糙面是按照大尺度粗糙面的斜率分布来倾斜的，显然对于真实海面而言，将海面分为大尺度重力波与小尺度张力波两种粗糙尺度更为准确。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于elfouhaily海谱的双尺度海面激光雷达后向散射计算方法。
5.实现本发明目的技术解决方案为：第一方面，本发明提供一种基于elfouhaily海谱的双尺度海面激光雷达后向散射计算方法，包括以下步骤：
6.步骤1：选择能够描述海面双尺度结构以及海面均方斜率的elfouhai1y海面功率谱模型；
7.步骤2：计算海面重力波与张力波的截断波数；
8.步骤3：计算海面重力波与张力波的均方斜率；
9.步骤4：采取双尺度方法与基尔霍夫近似方法计算风驱粗糙海面的激光雷达后向散射系数；
10.步骤5：考虑海面面元的入射遮挡和散射遮挡，计算二维粗糙面后向散射的遮挡函数，从而对后向散射系数进行修正。
11.第二方面，本技术还提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述第一方面所述的方法。
12.第三方面，本技术还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述第一方面所述的方法。
13.本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明选择能较好的描述海面双尺度结构及均方斜率的elfouhaily海谱，较好的描述了海面高度起伏，选用仅与风速和海面功率谱有关的截断波数，很好的解决了激光波段海面尺度分解的问题，考虑大尺度重力波对小尺度张力波斜率的调制作用，结合基尔霍夫近似方法与双尺度方法计算海面激光后向散射系数，并考虑面元遮挡，使得中等及大入射角下的海面激光后向散射计算结果更为准确。与现有技术相比，该方法计算精度高，且具有较短的计算时间，对具有双尺度结构的随机粗糙面的激光散射回波特性研究均有较大参考价值。
附图说明
14.图1为本发明方法的流程图。
15.图2为本发明方法的elfouhaily谱随频率与风速的变化示意图。
16.图3为本发明方法的elfouhaily海面双尺度散射模型示意图。
具体实施方式
17.下面结合附图对本发明作进一步的介绍
18.如图1所示，基于elfouhaily海谱的双尺度海面激光雷达后向散射计算方法，该方法包括以下步骤：
19.步骤1，选择能够较好描述海面双尺度结构以及海面均方斜率的elfouhaily海面功率谱模型，如图2所示，为elfouhaily谱随频率与风速的变化图。elfouhaily海谱表达式为：
20.s(k)＝(b1+bh)/k321.其中k为海浪的空间波数，b1、bh分别表示重力波对应的低频谱和张力波对应的高频谱，表达式为：
[0022][0023]
其中α
p
与αm分别为重力波与张力波范围内的平衡区域参数，f
p
与fm分别为长波边缘效应与短波边缘效应。g为重力加速度，km＝363rad/m，k
p
为谱峰波数，其值为u
10
为海面上10m处的风速，ω为逆波龄，表达式为x0＝2.2
×
104，为无量纲风区。
[0024]
步骤2，计算海面重力波与张力波的截断波数，其主要方法为：
[0025]
选择从海面粗糙度与海面阻尼入手，把影响海况的主要因素——风速作为主要考虑对象的截断波数，其表达式为：
[0026][0027]
其中κ表示von-karman常数，取值为0.35，s(k)为elfouhaily海谱，k
cut
为截断波数。
[0028]
步骤3，计算海面重力波与张力波的均方斜率的表达式为：
[0029][0030]
其中σ
large_c
、σ
large_u
、σ
small_c
和σ
small_u
分别为侧风的重力波均方根斜率、逆风的重力波均方根斜率、侧风的张力波均方根斜率和逆风的张力波均方根斜率，为当风向取x轴时，波浪相对于风的夹角，为叠加风向的海谱，表达式为
[0031]
其中
[0032][0033]
式中a
p
＝4，
[0034]
步骤4，如图3所示，为elfouhaily海面双尺度散射模型示意图，其中大尺度重力波坐标系(x,y,z)为主坐标系，小尺度张力波坐标系(x
′
，y
′
，z
′
)为本地坐标系。
[0035]
根据海面的双尺度结构，也即大尺度重力波对小尺度张力波斜率的调制作用、入射激光波长与海面粗糙度参数以及解析近似方法的适用条件，也即使用基尔霍夫近似方法求解海面对激光的散射，海面激光后向散射系数可以写为：
[0036][0037]
其中其根据解析近似方法中的基尔霍夫近似方法求得，其中z
′
x
＝-q
x
/qz，z
′y＝-qy/qz，，qz＝ik(cosθs+cosθi)，θs为散射角，为入射方位角，为散射方位角，θi为主坐标系下的入射角，θ
′i为本地坐标系的入射角，k为入射波数，r(0)为垂直入射时的菲涅尔反射系数。
[0038]
p(z
′
x
，z
′y)为海面的斜率分布，采用cox-munk根据光学测量的gram charlier分布：
[0039]
[0040][0041][0042][0043][0044]zx
与zy分别为海面上点(x，y)所在面元在x与y方向上的斜率。
[0045]
步骤5，考虑在大入射角时(入射角大于60度)，某些面元会被其它面元所遮挡，以及在大散射角(散射角大于60度)下，被某些面元散射的波会被其它的面元遮住，因而观察不到，也即入射遮挡与散射遮挡，因此需要考虑面元遮挡带来的影响，二维粗糙海面后向散射的遮挡函数s表达式为：
[0046][0047]
其中erfc(
·
)为互补误差函数，θi为入射角，u
12.5
为海面上12.5m处的风速。
[0048]
结合遮挡函数，后向散射系数可以写为：
[0049][0050]
以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本技术专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术的保护范围应以所附权利要求为准。

技术特征：
1.一种基于elfouhaily海谱的双尺度海面激光雷达后向散射计算方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，选择能够描述海面双尺度结构以及海面均方斜率的elfouhaily海面功率谱模型；步骤2，计算海面重力波与张力波的截断波数；步骤3，计算海面重力波与张力波的均方斜率；步骤4，采取双尺度方法与基尔霍夫近似方法计算风驱粗糙海面的激光雷达后向散射系数；步骤5，考虑海面面元的入射遮挡和散射遮挡，计算二维粗糙面后向散射的遮挡函数，从而对后向散射系数进行修正。2.根据权利要求1所述的基于elfouhaily海谱的双尺度海面激光雷达后向散射计算方法，其特征在于，步骤1中的elfouhaily海谱表达式为：s(k)＝(b1+b
h
)/k3其中k为海浪的空间波数，s(k)为elfouhaily海谱，b1、b
h
分别表示重力波对应的低频谱和张力波对应的高频谱，表达式为：其中α
p
与α
m
分别为重力波与张力波范围内的平衡区域参数，f
p
与f
m
分别为长波边缘效应与短波边缘效应，g为重力加速度，k
m
＝363rad/m，k
p
为谱峰波数，其值为u
10
为海面上10m处的风速，ω为逆波龄，表达式为x0＝2.2
×
104，为无量纲风区。3.根据权利要求1所述的基于elfouhaily海谱的双尺度海面激光雷达后向散射计算方法，其特征在于，步骤2中计算海面重力波与张力波的截断波数的方法为：其中κ表示von-karman常数，取值为0.35，k
cut
为截断波数。4.根据权利要求1所述的基于elfouhaily海谱的双尺度海面激光雷达后向散射计算方法，其特征在于，步骤3中计算海面重力波与张力波的均方斜率的表达式为：其中σ
large_c
、σ
large_u
、σ
small_c
和σ
small_u
分别为侧风的重力波均方根斜率、逆风的重力波均
方根斜率、侧风的张力波均方根斜率和逆风的张力波均方根斜率，为当风向取x轴时，波浪相对于风的夹角，为叠加风向的海谱，表达式为其中其中式中5.根据权利要求1所述的基于elfouhaily海谱的双尺度海面激光雷达后向散射计算方法，其特征在于，步骤4根据海面的双尺度结构，海面激光后向散射系数可写为：其中其根据解析近似方法中的基尔霍夫近似方法求得，其中z
′
x
＝-q
x
/q
z
，z
′
y
＝-q
y
/q
z
，，q
z
＝ik(cosθ
s
+cosθ
i
)，θ
s
为散射角，为入射方位角，为散射方位角，θ
i
为主坐标系下的入射角，θ
′
i
为本地坐标系的入射角，k为入射波数，r(0)为垂直入射时的菲涅尔反射系数；p(z
′
x
，z
′
y
)为海面的斜率分布，采用cox-munk根据光学测量的gram charlier分布：charlier分布：charlier分布：charlier分布：charlier分布：z
x
与z
y
分别为海面上点(x，y)所在面元在x与y方向上的斜率。6.根据权利要求1所述的基于elfouhaily海谱的双尺度海面激光雷达后向散射计算方法，其特征在于，步骤5中，二维粗糙海面后向散射的遮挡函数s表达式为：
其中erfc(
·
)为互补误差函数，θ
i
为入射角，u
12.5
为海面上12.5m处的风速；结合遮挡函数，后向散射系数可写为：7.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现权利要求1-6中任一所述的方法的步骤。8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现权利要求1-6中任一所述的方法的步骤。

技术总结
本发明公开了一种基于海谱的双尺度海面激光雷达后向散射计算方法，该方法包括：选择能够较好描述海面双尺度结构以及海面均方斜率的海面功率谱模型；计算海面重力波与张力波的截断波数；计算海面重力波与张力波的均方斜率；采取双尺度方法与基尔霍夫近似方法计算风驱粗糙海面的激光雷达后向散射系数；考虑海面面元的入射遮挡和散射遮挡，计算二维粗糙面后向散射的遮挡函数，对散射系数进行修正。本发明选择能够较好反映海面双尺度结构的海谱，引入准确的、与风速强相关的截断波数和遮挡函数原理，考虑大尺度重力波对小尺度张力波斜率的调制作用，解决了海面激光散射计算中在中等以及大入射角结果不准确的问题。及大入射角结果不准确的问题。及大入射角结果不准确的问题。


技术研发人员：李振华 侯永华 来建成 严伟 王春勇 纪运景 赵艳 吴志祥
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：2023.05.16
技术公布日：2023/8/14