（海軍航空大學岸防兵學院 煙臺 264001）

1 引言

合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar，SAR）是雷達成像系統(tǒng)的一個重要的研究領域。利用合成孔徑雷達成像技術研究海面艦船場景對艦船的探測識別具有重要意義。研究海面艦船場景SAR成像的一個重要課題就是SAR圖像模擬研究。通過SAR圖像模擬技術，可以在較短時間內獲取大量任意參數條件下的SAR圖像，有助于SAR圖像的輔助解譯，SAR圖像處理算法的驗證、SAR系統(tǒng)的分析設計與驗證等［1］。

實際上艦船在海面的運動是一個復雜的過程，首先海面是一個不規(guī)則的時變粗糙面，艦船會在海面行進過程中進行不規(guī)律的搖擺，艦船運動過后海面還會出現尾跡等等，所以在對海面艦船進行SAR成像模擬時要考慮場景的構建問題來保證模擬圖像的逼真性。因此本文在介紹海面艦船SAR成像模擬過程的基礎上，重點討論了海面艦船場景模型的構建問題，對艦船、海面、尾跡三方面場景進行專門論述，并對相關工作進行了總結與展望。

從20世紀50年代開始，SAR在遙感技術方面取得了長足的突破，并廣泛應用到民用及軍用領域，從20世紀80年代開始，經過三十多年國內外學者的共同努力，艦船及其海面背景SAR成像仿真技術正在不斷的完善與成熟。因為海面艦船的SAR成像仿真技術具有一定的軍事價值，所以公開發(fā)表的相關文獻并不多，結合艦船、海面、尾跡等全要素場景的文章更是少之又少。從近三十年檢索到的文獻來看，單獨考慮艦船、海面、尾跡的研究較多，成果較為豐富，也有部分文獻考慮了艦船與海面、海面與尾跡兩種要素的場景，沒有檢索到綜合考慮艦船、海面、尾跡全要素場景的文獻?；诖耍蕴岣吣M圖像的逼真度為目標，開展海面艦船場景模型構建研究顯得十分必要。下面將簡要介紹SAR成像模擬的兩類經典方法并對包括艦船、海面、尾跡在內的全要素場景進行重點論述。

目前，國內外學者對海洋背景下SAR成像模擬研究的方法可以歸納為兩類：基于SAR圖像特征的模擬方法和基于回波信號的模擬方法［2］?；赟AR圖像特征的模擬方法僅考慮海面艦船的幾何模型和輻射模型來得到雷達后向散射系數，這種方法不考慮模型的回波信號，采取近似手段，運算效率高，實時性強，但未能反映SAR系統(tǒng)真實特征；基于回波信號的模擬方法考慮模型的回波信號，通過成像算法對回波信號進行處理，獲得SAR模擬圖像，該方法反映SAR系統(tǒng)真實特征，實時性強，但回波計算量較大。要想實現海面艦船SAR成像的精準模擬，關鍵問題在于全要素場景的構建，即構建艦船模型、海面模型、尾跡模型。

圖1 基于SAR圖像特征的模擬方法流程

圖2 基于SAR回波信號的模擬方法流程

2 艦船模型構建研究現狀

艦船三維模型的構建是獲得高分辨率SAR模擬圖像的重要環(huán)節(jié)，目前構建艦船三維模型大多采用3D MAX、CATIA等專業(yè)建模軟件。而在建模方法方面基本可歸納旋轉體法、部件分解法、面元法和參數表面建模法四種。而實際上對海面艦船進行SAR成像模擬時，艦船會受到來自海面上諸多因素形成的外力，對海面以及艦船的電磁散射特性造成一定的影響，所以構造海面艦船模型時需要考慮其運動狀態(tài)，對艦船姿態(tài)不斷進行調整并計算后向散射系數，從而獲得更加精確、更加符合實際情況的SAR模擬圖像。

目前國內外學者研究的重點也多在運動艦船模型上。研究者主要借助建模軟件構建艦船模型，艦船在時變海面中會受到水動力學、風力作用以及艦船驅動作用從而進行六自由度運動調整。其中，縱蕩、橫蕩、升沉是沿x軸、y軸、z軸的平動分量；橫搖、縱搖、偏航是沿x軸、y軸、z軸的轉動分量。通過引入旋轉矩陣，使用轉化后的坐標表示艦船在海面的運動情況。從目前檢索到的文獻來看，對運動艦船模型的研究要遠遠少于對靜態(tài)艦船的研究。不過隨著對模擬圖像逼真度要求的提高以及計算機技術的不斷進步，對運動艦船模型的研究逐步增多。

文獻［3］基于切片理論，對艦船六個自由度的運動特性進行計算得到運動參數，利用逆向軟件得到海面的實體模型，并與艦船進行組合，最后對艦船在特定海情下進行各個自由度的仿真；文獻［4］建立了海面震蕩艦船和搖擺艦船的SAR成像幾何模型，推導分析了回波信號特點；文獻［5］使用MOCEM·V4軟件模擬艦船和動態(tài)海面組成的海洋場景雷達原始數據，得益于GPU計算，使得在模擬SAR和ISAR原始數據時能夠考慮艦船運動；文獻［6］提出模擬海面運動艦船SAR原始數據時考慮時變海面和運動艦船。海面SAR原始數據考慮動力學和時變反射函數，艦船原始數據考慮艦船六自由度運動及其在海面的平移；文獻［7］結合艦船六自由度運動模型、時變海面復反射系數模型，對海面艦船目標SAR回波信號進行了建模仿真，體現了艦船目標自身散射和海面與艦船間的耦合散射，考慮了SAR平臺與海面艦船目標的運動，較真實地反映了動態(tài)海面目標的電磁散射特性；文獻［8］建立了動態(tài)海面驅動下艦船運動的水動力模型。通過模擬隨海情、航速和航向角變化的艦船運動姿態(tài)，形成了時變海面艦船目標動態(tài)雷達特征信號仿真模型；文獻［9］將艦船運動過程分為平動和轉動兩部分進行分析，通過橫滾、俯仰、偏航的旋轉矩陣，將目標固定參考坐標系轉換到投影坐標系，進而分析艦船在三維不同轉動的情況下的運動特征；文獻［10］提出一種有效的雙疊加模型來生成二維海面，基于該模型與四路徑模型研究了艦船位于動態(tài)海面場景中的SAR成像；文獻［11］結合艦船的六自由度運動模型、海面復反射系數模型、目標電磁散射模型，利用高頻電磁散射計算方法和目標與艦船間的多路徑散射，提出一種海面艦船目標合成孔徑雷達回波信號仿真方法，建立了海面艦船目標SAR回波信號模型；文獻［12］提出一種基于電磁散射計算的微動目標SAR回波仿真方法，該方法能夠實現指定雷達視角和電磁參數條件下的微動復雜目標SAR回波仿真與圖像模擬。

3 海面模型構建研究現狀

海面狀況會受到風力、地形摩擦力、船只航行等情況造成不規(guī)律的波動。目前學者對海浪的建模主要集中在以下五種方法：基于幾何模型的建模方法；基于流體力學的建模方法；基于動力模型的建模方法；基于海浪譜的建模方法和基于分形理論的建模方法。同樣在對海面進行建模時我們不得不考慮海面的波動情況來提高模擬的逼真性。動態(tài)的海面模型可分為線性模型與非線性模型。線性海面的建模一般采用線性疊加法和線性過濾法。這兩種線性的建模方法都是由不同相位不同參數的余弦波疊加而成。線性疊加法，是由不同周期、不同頻率、不同相位的余弦波疊加而成，通過改變相位、頻率的值就可以得到不同時刻、不同條件下的海面模型；線性濾波法，又叫蒙特卡羅方法，是基于快速傅里葉變換（FFT），對白噪聲進行傅里葉變換，在頻率域內用海面譜進行濾波，最后再作傅里葉逆變換模擬出海面的起伏高度。

要想實現精準海面的建模必須考慮非線性因素，Creamer模型是在重力波的基礎上推出一種“改進的線性模型”，該理論是在海面起伏的頻域加入擾動項，產生非線性效果；還有一種非線性模型是Choppy Wave Model（CWM）模型，該模型海浪之間的非線性作用是基于流體力學方程通過考慮相位擾動來實現的。在線性濾波法的基礎上對線性海面的高度起伏函數進行希爾伯特變換。

文獻［15］通過將拉格朗日關于運動的海的初始解進行線性疊加并結合海譜構造出二維時變海面；文獻［16］在海面建模過程中考慮卷浪因素，在已有Longtank卷浪幾何建模方法下進行分析并加以改進，考慮時間和風速因素并加入小粗糙度擾動，建立了二維改進時變粗糙卷浪模型和疊加卷浪模型，將相同風速下的PM海面模型與卷浪模型結合，建立了三種含卷浪時變海面幾何模型；文獻［17］利用分形導體粗糙面模型，結合基爾霍夫近似法，對動態(tài)海面回波數據進行成像，得到符合統(tǒng)計學特征的海面場景SAR模擬圖像；文獻［18］結合海浪譜的統(tǒng)計特性，根據動態(tài)海浪理論構建了基于海浪譜的雙尺度海面模型，同時考慮了大、小尺度海面因素的影響，對不同風速、風向、極化條件下的隨機海面進行了SAR成像模擬，通過比對分析，得到一些結論；文獻［19］介紹了一個用于模擬L波段GNSS海面反射信號極化特性的程序，利用一個能反映不同海情的時變3D海面和采用物理光學法的基爾霍夫近似來描述海面散射機制；文獻［20］介紹了GRECOSAR采用動態(tài)多諧波海面高度模型的SAR模擬圖像并進行驗證，對C、X波段SAR傳感器進行了模擬，將同極化通道結果與K、對數正態(tài)、韋伯爾和瑞利分布進行了對比，能夠用來描述真實海面SAR圖像的統(tǒng)計特征；文獻［21］根據分形海面數據，基于基爾霍夫近似的電磁散射模型以及基于時域的動態(tài)場景原始信號模擬過程對海洋場景的天基SAR原始信號進行了模擬；文獻［22］根據SAR分辨尺度以及海面的散射特性近似把海面分成大尺度和小尺度兩種波，建立起海面散射的兩尺度復合模型；文獻［23］將分形用于動態(tài)分形海面；文獻［24］針對粗糙海面的非線性和自相似性特點，建立改進二維分形模型，描述了表面譜與空間波數之間的正冪率和負冪率關系，實現了對粗糙海面的模擬。

4 尾跡模型構建研究現狀

當艦船處在運動狀態(tài)時，艦船運動過的水面就會留下痕跡，并會保持在一個較長時間范圍內，容易被獲取為SAR圖像，因此，對艦船尾跡的研究，會對艦船的識別、探測、追蹤、監(jiān)視等起到有用的幫助。目前國內外學者將艦船尾跡分為四類：Kelvin尾跡、窄V尾跡、湍流尾跡、內波尾跡。表1是四類尾跡的產生機理及物理特征。

表1 艦船尾跡表現形式及物理特征

文獻［25］研究了由泡沫組成的湍流尾跡的體散射模型，利用輻射輸運理論和蒙特卡羅方法建立了湍流尾跡的體散射模型；并基于內波尾跡粗糙度較小的特點，重點研究了低海況下下內波尾跡的電磁散射特性；文獻［26］對不同船速、不同吃水深度等條件對Kelvin尾跡水動力模型進行研究，仿真出了不同條件下Kelvin尾跡模擬圖并結合海表面波模型和雷達后向散射模型仿真出不同船速、不同吃水深度條件下Kelvin尾跡SAR圖像；文獻［27］利用點源擾動模型建立艦船Kelvin尾跡模型，模擬出不同船速條件下的艦船尾跡；文獻［28］引入快速傅里葉變換快速求解海面，加入波流相互作用，使海面與尾跡較真實融合在一起，基于隨機多尺度模型給出艦船尾跡后向散射簡化計算模型，結合速度聚束和調制變換函數仿真出SAR圖像；文獻［29］介紹了L波段表面艦船尾跡SAR圖像的計算機模擬并對結果進行了分析。Kelvin波的起伏改變了本地入射角，因此模擬結合了海面和尾跡的高度和斜率。模擬結果依賴于艦船和SAR參數以及觀測幾何。文獻［30］根據海水密度的變化，利用離散內波層和擴散內波層描述了海水分層現象，進一步推導出滿足內波尾跡的色散關系和波峰關系，進而對內波尾跡的速度場進行了研究，利用了頻域分解技術對內波尾跡的波高場進行了反演；文獻［31］提出船尾跡多視向的成像仿真技術，并首次在二維空間中從不同視向仿真船尾跡SAR圖像；文獻［32］基于水動力理論和波流弱相互作用理論，運用波作用量譜平衡方程研究了潛航體的尾流場與表面波作用后的表面尾跡。

5 結語

海面艦船SAR成像模擬研究技術日臻成熟，艦船及海面模型越來越精細、電磁散射模型也越來越合理，模擬圖像的逼真度也逐步提高。本文對海面艦船全動態(tài)場景SAR成像模擬研究進行了綜述。首先從逼真性要求提出了進行全要素場景研究的必要性，隨后簡要概述了SAR成像模擬的兩種經典方法，重點對包括艦船、海面、尾跡場景在內的全要素場景的模型構建進行了專門綜述，目前考慮全要素場景模型的研究尚屬空白，不過對單獨場景模型的研究較多，成果較為豐富，足以支撐此項工作的開展。

下一步，應開展如下方面工作進一步研究海面艦船成像模擬：

1）模型的逼真性精度方面：進一步研究場景的建模方法，對艦船外形進行合理優(yōu)化，對海面及尾跡模型進行精度提升，以期更加貼近真實場景。

2）模型的簡潔性方面：考慮全場景對海面艦船進行SAR成像模擬不可避免造成數據量大、模擬耗時長等問題。在不影響仿真結果的前提下，對各個場景進行合理簡化處理，盡可能減少計算的數據量。

3）大場景下海面艦船的成像模擬。實際情況下艦船都是編隊出行，研究大場景下海面艦船的成像模擬符合實際要求。