基于船舶运动的微波多普勒海面回波模拟与分析

李汉东, 陈泽宗,2*, 赵 晨, 陈 曦, 陈小莉

(1.武汉大学电子信息学院， 武汉 430072； 2.武汉大学地球空间信息技术协同创新中心， 武汉 430079)

船载微波多普勒雷达从散射回波中获取海面动态信息，实现了走航观测海浪的新手段[1]。目前对海面散射回波的研究大多建立在静态雷达平台上，而船载雷达平台下天线接收的回波信号中不仅包含海态信息，也包含了平台运动信息，改变了海面电磁散射的计算模型，给海面回波的研究带来了新的挑战。

目前海面电磁散射的计算方法主要分为数值法和近似法[2]。矩量法等数值法的计算精度高，但存在计算量大的缺点；小斜率近似法[3]是一种广泛应用的高精度近似方法，通过保留表面斜率级数的各阶展开项获取散射振幅的近似值，适用于复合尺度的海面电磁散射问题，具有计算简便、适用性广且精度较高等优点。

船体在航行中容易受到海浪和海流等外部环境影响而产生横摇、纵摇等六自由度运动，导致回波多普勒谱频移和谱宽发生改变，进而影响到海态参数的反演。近年来，中外学者提出了一系列实时或非实时的船舶运动预测算法。Fossen等[4]提出了动态船舶运动预测的条带理论公式；Ueng等[5]提出了实时预测的船舶运动仿真有效计算模型；Sandaruwan等[6]提出了高性能船舶姿态预测算法。

现基于船载微波多普勒雷达系统，根据船载雷达探测海面时的工作特点，研究走航状态下微波电磁波与海表面的作用机理。通过二维时变海面建模与船舶运动建模，采用小斜率近似法计算海面电磁散射幅度，仿真得到船载雷达平台下的海面散射回波，并分析不同运动方式(匀速运动、变速运动、摇晃运动)对多普勒谱特征的影响。……