[發明專利]一種動態海面激光脈沖波束回波仿真方法

有效

• 申請號: 201310436841.2
• 申請日: 2013-09-24
• 公開（公告）號: CN103472443A
• 公開（公告）日: 2013-12-25
• 發明（設計）人: 王彪;林嘉軒;童廣德
• 申請（專利權）人: 上海無線電設備研究所
• 主分類號: G01S7/48
• 分類號: G01S7/48
• 代理公司: 上海信好專利代理事務所(普通合伙) 31249
• 代理人: 張妍;包姝晴

1.一種動態海面的激光脈沖波束回波仿真方法，用于實現海面近程激光雷達虛擬實驗動態粗糙海面任意波束脈沖波束回波仿真，其特征在于：

所述仿真方法包含：

步驟1：用光學波形測量儀獲得某一距離剖面上激光發射波束空間強度分布離散數據，擬合得到強度分布解析表達式，并基于能量守恒原理確定任意距離處剖面光強空間分布；

步驟2：用脈沖測量儀和示波器獲得激光發射脈沖時域波形，擬合得到其解析式；

步驟3：根據不同海情，建立基于統計海譜模型的包含風速、浪高、海浪周期參數的動態海面模型，并基于逆FFT獲得頂點的高程分布，法線分布，及其隨時間變化特征；用空間頻率域波分解方法表示海面，通過逆FFT得到海面空間高程表示；

步驟4：基于Torrance-Sparrow模型建立水面面元雙向反射分布函數統計模型，從而獲得海面的亮度空間角分布特性；

步驟5：基于輻射度學建立后向散射回波脈沖與發射波束、海面幾何模型、面元雙向反射分布函數統計模型、海水介電常數的關系式，獲得激光波束后向散射脈沖雷達方程；

步驟6：基于步驟3中生成的動態海面模型數據，利用計算機圖形庫OpenGL實現對動態場景的著色、渲染、圖像效果處理、紋理映射、實時動畫繪制，并根據激光脈沖發射器的幾何位置關系，繪制激光脈沖波形與海面的交互狀態；

步驟7：針對場景中所有面元采用顏色索引方法，將面元的法線，材質信息編碼耦合到像素顏色中，利用三維圖形顯示卡的硬件加速性能，根據發射接收視場實現將探測器坐標系下的場景從三維到二維的投影變換，從而獲得投影到視口的像素信息，并對此像素信息進行解碼分析，獲得經過遮擋和消隱處理后的離散化場景信息；

步驟8：基于步驟5中得到的激光波束后向散射脈沖雷達方程，利用步驟7中獲得的離散化場景信息與激光脈沖波束進行時域離散卷積，從而計算脈沖波束后向散射回波特性；根據結果對步驟4中基于Torrance-Sparrow模型建立的雙向反射分布函數模型參數進行修正，直至模型有效。

2.如權利要求1所述的動態海面的激光脈沖波束回波仿真方法，其特征在于：

步驟1中，高斯波束擬合得到的強度分布解析表達式為

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為激光波束半徑，為激光發散角，為激光半波束寬度；為脈沖時域波形。

3.如權利要求2所述的動態海面的激光脈沖波束回波仿真方法，其特征在于：

步驟2中激光發射脈沖時域波形擬合得到的解析式為

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其中，為脈沖能量，脈沖標準差，表示脈沖半寬度，為脈沖峰值延時。

4.如權利要求3所述的動態海面的激光脈沖波束回波仿真方法，其特征在于：

步驟3中，還用空間頻率域波分解方法表示海面，通過逆FFT得到海面空間高程表示；

其中，決定開放海域波動態特性的色散關系近似為

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是頻率，是波數，是引力常數，是海水密度，是表面張力；

影響海面粗糙度的風驅引力波，其波高幅度從統計模型獲得，統計模型通過對照相和雷達散射測量的統計分析得到；

水面的零階近似是平面，在該平面上劃分均勻的網格，計算各離散網格點的垂直位移，再通過對各點的雙線性插值得到模擬的海面；

網格點在任意時刻的高程表示為

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其中，為2D矢量，，其分別是、的整數倍；、分別是x，y方向水面的總尺寸；隨機相位決定風驅海面的隨機特性。

5.如權利要求4所述的動態海面的激光脈沖波束回波仿真方法，其特征在于：

步驟4中，雙向反射分布函數表達式為

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，分別為待定鏡反射系數和漫射系數；單個水面面元由大量統計分布微面元組成，微面元法線矢量和水面面元法線夾角α的分布概率由決定：

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m是表面微面元法線的均方根斜率；

歸一化因子const通過對在半球空間積分歸一化得到

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是和的函數；

G為Torrance-Sparrow模型的幾何衰減因子，為照亮面元對反射通量的貢獻比例，，為水面面元法線和觀測方向的夾角；為水面面元法線和太陽入射光線的夾角；是微面元法線和太陽入射方向的夾角，為菲涅爾反射率。

6.如權利要求5所述的動態海面的激光脈沖波束回波仿真方法，其特征在于：

步驟5中，計算單個面元散射亮度為

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探測器接收光的全部功率為

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為面元面積，為水面面元法線和觀測方向的夾角；

探測器視場覆蓋范圍內所有面元的貢獻為

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