海洋內(nèi)波對海面電磁散射特性的影響分析

魏儀文郭立新殷紅成

①(西安電子科技大學(xué)綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)理論及關(guān)鍵技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710071)

②(西安電子科技大學(xué)物理與光電工程學(xué)院 西安 710071)

③(電磁散射重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100854)

海洋內(nèi)波對海面電磁散射特性的影響分析

魏儀文*①②郭立新①②殷紅成③

①(西安電子科技大學(xué)綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)理論及關(guān)鍵技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710071)

②(西安電子科技大學(xué)物理與光電工程學(xué)院 西安 710071)

③(電磁散射重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100854)

海洋內(nèi)波通常在海面之下傳播，并通過波流相互作用影響海洋表面毛細(xì)波的分布，在合成孔徑雷達(dá)(SAR)圖像中表現(xiàn)為亮暗相間的紋理。該文首先基于Korteweg-de Vries(KdV)方程，建立內(nèi)波傳播模型；通過波流相互作用函數(shù)，基于波作用量方程，對表面毛細(xì)波的波譜進(jìn)行修正；最后基于雙尺度方法的面元模型，將內(nèi)波對高頻譜的修正作用考慮在內(nèi)，計(jì)算內(nèi)波的存在對大尺寸海面電磁散射特性的影響。文中計(jì)算了內(nèi)波存在時(shí)海面散射系數(shù)分布，分析了不同的內(nèi)波參數(shù)，不同海況參數(shù)等對海面散射系數(shù)和多普勒的影響。

海洋內(nèi)波；電磁散射；多普勒譜

1 引言

海洋內(nèi)波是發(fā)生在密度穩(wěn)定層結(jié)的海水內(nèi)部波動(dòng)，在海洋內(nèi)部，由于層結(jié)之間的密度差，致使很小的擾動(dòng)就會(huì)在海洋內(nèi)部產(chǎn)生軒然大波。內(nèi)波是海洋中能量級串不可缺少的一環(huán)，在海洋的物質(zhì)、動(dòng)量和能量傳輸中扮演著重要角色，在整個(gè)海洋動(dòng)力學(xué)的理論研究中占有重要地位。不僅如此，由于內(nèi)波能在合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar, SAR)圖像中觀測到，證明內(nèi)波的存在對海洋遙感，海面電磁散射系數(shù)的探測均有一定影響。同時(shí)

海洋內(nèi)波還與海洋聲學(xué)、軍事海洋學(xué)、海洋工程學(xué)等學(xué)科有著密切的聯(lián)系，對水下航行、海洋觀測也有顯著影響。從上世紀(jì)70年代，人們開始用合成孔徑雷達(dá)來觀測海洋內(nèi)波，人們發(fā)現(xiàn)，內(nèi)波的存在會(huì)引起在SAR 圖像上出現(xiàn)紋理變化。這使得內(nèi)波對海洋電磁散射的影響的重要性日益凸顯。

為了研究內(nèi)波的SAR圖像特征，很多針對內(nèi)波的海洋遙感實(shí)驗(yàn)開始進(jìn)行[1–3]。依賴于這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和內(nèi)波遙感資料。許多學(xué)者對內(nèi)波成像機(jī)理進(jìn)行了深入研究。Werner Alpers[4]于1985年在Nature上發(fā)表論文，解釋了內(nèi)波的成像機(jī)理，由于內(nèi)波在傳播過程中引起了海洋內(nèi)部流場的變化，進(jìn)而調(diào)制表面毛細(xì)波，使得海表面的毛細(xì)波出現(xiàn)幅聚和幅散的效應(yīng)?；贐ragg散射機(jī)制[5]，海面的雷達(dá)散射系數(shù)也會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致SAR圖像上形成明暗相間的條紋。這一結(jié)論至今仍被相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者們廣泛接受。

國家海洋局鄭全安[6]曾研究過內(nèi)波的特征，這一研究從內(nèi)波的KdV方程出發(fā)，基于譜平衡方程和Bragg散射理論，給出了內(nèi)波存在的情況下，海面上雷達(dá)散射系數(shù)空間變化曲線，雖然這一研究主要仍是針對于內(nèi)波參數(shù)的反演，但其中涉及到了內(nèi)波對散射系數(shù)的影響分析。Brandt[7]在這一工作的基礎(chǔ)上，對電磁散射模型進(jìn)行了改善，鄭全安使用的Bragg散射模型認(rèn)為海面只有一種尺度，即只存在能引起B(yǎng)ragg散射的海浪諧振波，而Brandt將雙尺度模型引入內(nèi)波散射計(jì)算中，認(rèn)為海面上的Bragg毛細(xì)波被大尺度起伏的海浪調(diào)制，將海面大尺度海浪的波動(dòng)考慮在內(nèi)，使得模型更符合實(shí)際情況。中國海洋大學(xué)杜濤[8]教授課題組基于鄭全安的工作，系統(tǒng)研究了內(nèi)波SAR圖像成像過程，對于內(nèi)波參數(shù)，雷達(dá)參數(shù)，海態(tài)參數(shù)對散射系數(shù)變化的影響做了較全面的分析。中科院Ouyang Yue[9]博士同樣分析了不同雷達(dá)頻率，不同極化，不同入射角，不同風(fēng)向角下內(nèi)波對雷達(dá)散射系數(shù)的影響，旨在尋找探測內(nèi)波所需的最佳雷達(dá)參數(shù)。以上所提到的所有研究都涉及到內(nèi)波的存在對海面散射系數(shù)空間分布的影響，但其實(shí)研究的目的并不在于建立合理的散射模型，系統(tǒng)而全面地分析內(nèi)波的散射特性。并且這些文獻(xiàn)均沒有建立時(shí)變的海面模型，也沒有計(jì)算內(nèi)波存在時(shí)，海面多普勒特性的變化。本文旨在從電磁散射的角度，研究內(nèi)波對海面散射特性的影響，包括對散射系數(shù)和多普勒譜的影響。

2 理論模型

2.1 KdV方程

在流體力學(xué)中，內(nèi)波的無方向性傳播過程可以用KdV方程來描述[10]

其中，η是內(nèi)波垂直位移，t表示時(shí)間，x表示空間位置，C0表示線性波波速。為簡單，假定海水由二層水體構(gòu)成，一層在躍層以上，稱為上層(或混合層)，其深度為h1，一層在躍層以下，稱為下層(底層)，深度為h2，海水總深度為h，且有h=h1+h2。在二層模式下，式(1)中的1階非線性項(xiàng)α, 2階非線性項(xiàng)α1及頻散項(xiàng)β可分別表示為

其中，η0為內(nèi)波最大振幅，通常內(nèi)波的最大振幅從幾米到幾十米不等。當(dāng)上式取負(fù)號(hào)，此時(shí)為下凹型內(nèi)波；當(dāng)上式取正號(hào)，此時(shí)為上凸型內(nèi)波。為內(nèi)波相速度，l為內(nèi)波半波寬度，分別表示為：

圖1以下凹型內(nèi)波為例。給出了內(nèi)波傳播的示意圖。本節(jié)給出的內(nèi)波形態(tài)為孤立內(nèi)波，即內(nèi)波只存在一個(gè)大起伏。孤立內(nèi)波通常也被稱為孤立子。

2.2 內(nèi)波對表面波高頻譜的調(diào)制

對微波遙感所采用的P, L, C 和X波段有關(guān)的海面微尺度特征應(yīng)當(dāng)是那些具有若干分米，厘米，到若干毫米波長的海面超短波動(dòng)。對于上述超短

波，波動(dòng)本身是小波陡的。因此波數(shù)空間中表面波譜的成長過程可以用波束譜平衡方程來描述

圖1 內(nèi)波示意圖Fig. 1 Schematic plot of internal wave

其中ψ(k)表示海譜，k是海浪波數(shù)矢量，等式右邊的4項(xiàng)分別表示風(fēng)輸入源函數(shù)，波-波相互作用源函數(shù)，耗散源函數(shù)和波-流相互作用源函數(shù)。在內(nèi)波研究中，內(nèi)波對海表面頻譜的影響主要體現(xiàn)在波-流相互作用源函數(shù)上，其他源函數(shù)暫不考慮。只考慮波-流相互作用對頻譜的調(diào)制，上式可簡化為：

根據(jù)文獻(xiàn)[6]，將式(14)代入式(11)中，可以得到，內(nèi)波的波-流相互作用對海譜產(chǎn)生的調(diào)制量為：

2.3 電磁散射模型

2.3.1 電磁散射場計(jì)算在本文中，我們采用復(fù)合表面模型來近似代替實(shí)際海洋表面，這種復(fù)合表面模型通常也稱為雙尺度模型[11]。根據(jù)雙尺度理論，單個(gè)面元的散射場可以表示為：

其中，Rh,Rv分別為水平極化和垂直極化下的菲涅爾反射系數(shù)，θi,θs分別為入射波在每個(gè)面元上的局部入射角和反射角，φs為局部散射角的方位角，ε為海水的介電常數(shù)。需要注意的是，以上兩式均是局部坐標(biāo)下的表達(dá)式，在具體計(jì)算時(shí)，需要將散射結(jié)果轉(zhuǎn)化至全局坐標(biāo)系下，限于篇幅，具體轉(zhuǎn)化過程在本文中不再給出。

式(17)中的對微表面積分的部分可以表示為I(·)，即

其中ζ(r)表示面元上的小尺度毛細(xì)波起伏，其中r為面元上點(diǎn)的位置。在復(fù)合表面模型中，ζ(r)通常認(rèn)為其是一列能引起入射電磁波Bragg諧振的正弦波。

其中，Zx為面元沿x方向的斜率，Zy為面元沿y方向的斜率。將式(24)，式(17)代入式(16)中，即可得到每個(gè)面元的散射場，而整個(gè)海面的散射總場即可表示為：

其中，M表示x方向的面元個(gè)數(shù)，N表示y方向的面元個(gè)數(shù)。經(jīng)過以上推導(dǎo)，可以得到內(nèi)波存在下海面的回波場。

2.3.2 電磁散射系數(shù)計(jì)算對于一個(gè)小面元，散射系數(shù)可表示為：

將式(16)、式(17)代入上式，可得

上式右邊的積分部分與前面的系數(shù)一起，正好是海譜的定義，可表示為：

每個(gè)面元的散射系數(shù)進(jìn)而可以表示為：

ψ(q1)是表面毛細(xì)波的海譜，q1是散射矢量在傾斜面元上的投影。在內(nèi)波存在的情況下ψ不再是傳統(tǒng)計(jì)算海面的譜值，需要進(jìn)行調(diào)制即為2.2節(jié)中得到的海面高頻譜調(diào)制值。

2.3.3 多普勒譜計(jì)算動(dòng)態(tài)海面下，海表面輪廓隨著時(shí)間不段發(fā)生變化，對于風(fēng)趨海面，海面朝著風(fēng)向方向運(yùn)動(dòng)。根據(jù)式(29)，容易得到一組對應(yīng)不同時(shí)刻海面樣本的電磁散射場時(shí)間序列，這樣時(shí)變海面多普勒譜即可通過標(biāo)準(zhǔn)譜估計(jì)方法獲得，公式

如下：

其中，T為觀測時(shí)間，dt為時(shí)間采樣間隔，f為多普勒頻率，單位通常為赫茲(Hz)。具有統(tǒng)計(jì)意義的多普勒譜通常需要對多組動(dòng)態(tài)海面樣本取平均后才能得到，即：計(jì)算完一組動(dòng)態(tài)海面的時(shí)間序列；由式(30)計(jì)算該組時(shí)間序列的多普勒譜；變換不同的動(dòng)態(tài)海面樣本，重復(fù)以上兩步，假設(shè)重復(fù)計(jì)算了Ns組時(shí)變海面樣本，那么，對Ns組譜估計(jì)結(jié)果求平均，即可得到平均多普勒譜線。

3 數(shù)值結(jié)果和分析

3.1 內(nèi)波對散射系數(shù)的影響

在計(jì)算內(nèi)波海面電磁散射時(shí)，我們首先生成海面的大尺度起伏，并將海面離散為M×N個(gè)面元；計(jì)算每個(gè)面元的散射系數(shù)，如果這一面元在某一時(shí)刻內(nèi)下部有內(nèi)波存在，在計(jì)算該面元散射時(shí)考慮內(nèi)波對面元上毛細(xì)波粗糙度的修正。圖1首先對比了內(nèi)波存在和不存在時(shí)海面散射系數(shù)分布。計(jì)算參數(shù)如下：入射波頻率為f=8.0GHz，入射角為θi=45°，入射方位角為φi=0°，海面上10 m處風(fēng)速為U=2.2 m/s，根據(jù)Debye模型，計(jì)算得到的海水介電常數(shù)為所計(jì)算海面的尺寸為1024 m × 512 m，上層深度為h1=15 m，下層深度為h2=45 m，內(nèi)波最大振幅為η0=10 m，上下層的歸一化海水密度差為Δρ/ρ=1.5×10?2。由于2.1節(jié)中給出的內(nèi)波輪廓是無方向性的，為了在散射系數(shù)分布圖中直觀體現(xiàn)出內(nèi)波的影響，假設(shè)內(nèi)波沿著x軸傳播，且將內(nèi)波沿著y軸進(jìn)行延拓。需要說明的是，文中所給出的內(nèi)波幾何輪廓模型只是一種常用的經(jīng)典模型。事實(shí)上，很多學(xué)者根據(jù)測量生成的SAR圖像，從理論上給出了多種內(nèi)波模型。如在文獻(xiàn)[13～15]中，有些模型給出了若干列內(nèi)波同時(shí)存在，甚至產(chǎn)生交匯的內(nèi)波傳播模型，以及內(nèi)波傳播中經(jīng)過島嶼后形態(tài)的變化的傳播模型。而在本文中，由于重點(diǎn)在于研究內(nèi)波存在對散射系數(shù)的影響，而不在于從流體力學(xué)或者海洋動(dòng)力學(xué)方面研究內(nèi)波傳播特性，所以我們采用了比較簡單的內(nèi)波傳播模型。

圖2給出了海面以下存在內(nèi)波和不存在內(nèi)波兩種情況下的海面電磁散射系數(shù)分布圖。散射系數(shù)取dB。圖2(a)為HH極化下結(jié)果，圖2(b)為VV極化下結(jié)果。其中圖的下半部分為沒有內(nèi)波存在時(shí)海面電磁散射系數(shù)分布，從散射系數(shù)分布可以體現(xiàn)出海面的大尺度海浪起伏。而有內(nèi)波存在時(shí)，由于內(nèi)波對表面波的調(diào)制，在內(nèi)波幅度的不斷減小時(shí)，表面波產(chǎn)生幅散現(xiàn)象(如圖1中AB段所示)，導(dǎo)致表面波粗糙度減小，根據(jù)Bragg散射理論，粗糙度減小會(huì)引起散射系數(shù)變?。幌鄳?yīng)的內(nèi)波振幅增加時(shí)，毛細(xì)波產(chǎn)生幅聚現(xiàn)象(如圖1中BC段所示)，粗糙度增大，散射系數(shù)會(huì)增大，使得海表面出現(xiàn)亮暗變化的條紋。由于本文中模擬的是下凹型內(nèi)波，所以散射系數(shù)先變小后變大，條紋為暗亮相間。

圖2 內(nèi)波存在和不存在情況下海面散射系數(shù)分布Fig. 2 Backscattering coefficient distribution of the sea with and without internal wave

為了研究內(nèi)波對散射系數(shù)的影響，我們定義Δσ表示散射系數(shù)的變化，Δσ表示為：

其中σ為內(nèi)波存在時(shí)每個(gè)面元的散射系數(shù)，σ0表示沒有內(nèi)波時(shí)海面本身的散射系數(shù)。Δσ也被稱為內(nèi)波的調(diào)制深度。圖3中給出了不同參數(shù)下Δσ隨空間位置變化規(guī)律。為了更為直觀地體現(xiàn)各種不同參數(shù)下散射系數(shù)變化規(guī)律，以下只給出散射系數(shù)差值沿x軸的變化。圖中均只給出了水平極化(即HH極化)下的結(jié)果，VV結(jié)果與HH結(jié)果得到的規(guī)律類似，限于篇幅，本文不再給出VV極化下Δσ隨不同參數(shù)的變化規(guī)律。需要說明的是，由于本文采用的是復(fù)合表面模型，即考慮了大尺度波對散射系數(shù)的調(diào)制作用，故圖3中Δσ隨空間位置變化的曲線并不平滑，因?yàn)榇蟪叨鹊钠鸱鼤?huì)使得散射系數(shù)產(chǎn)生波動(dòng)。圖3中的參數(shù)都在圖中給出，在這里不一一列出。

圖3(a)給出了不同內(nèi)波振幅對散射系數(shù)的影響?？梢钥吹?，隨著內(nèi)波最大振幅的增加，調(diào)制深度Δσ的變化越大，內(nèi)波調(diào)制作用越明顯。這是因?yàn)閮?nèi)波振幅越大，證明內(nèi)波越劇烈，對海洋表面毛細(xì)波影響越大。從散射系數(shù)上，更易觀察到內(nèi)波的存在。圖3(b)為不同上層水深對Δσ的影響，水深越淺，散射系數(shù)差的起伏越明顯?？梢酝茰y，在SAR圖像中，明暗條紋會(huì)愈加明顯。上層水深較淺的情況下，內(nèi)波起伏引起的海洋內(nèi)部擾動(dòng)更容易通過波流相互作用傳播至海洋表面，使得幅聚幅散效應(yīng)更加明顯。不同歸一化密度對Δσ的影響在圖3(c)中給出。顯然，上下層之間的密度差越大，Δσ起伏變化越明顯，這是由于內(nèi)波本身就是由上下層之間存在密度差，一旦產(chǎn)生微小擾動(dòng)，這一密度差就會(huì)使得擾動(dòng)不斷增大，打破海水的穩(wěn)態(tài)狀態(tài)，內(nèi)波得以產(chǎn)生，故密度差越大，內(nèi)波將會(huì)越劇烈，會(huì)更大程度地調(diào)制表面毛細(xì)波，引起散射系數(shù)更劇烈的變化。圖3(d)為不同風(fēng)速下的模擬結(jié)果，可以看出，風(fēng)速越大，內(nèi)波引起的散射系數(shù)變化越不明顯，因?yàn)殡S著風(fēng)速的增加，海面更加粗糙，雜波更加劇烈，內(nèi)波僅對表面微小起伏存在調(diào)制，而這種調(diào)制在大風(fēng)速下容易被淹沒。

3.2 內(nèi)波對多普勒譜的影響

下面我們將數(shù)值模擬并分析內(nèi)波對海面多普勒譜的影響。圖4給出了有無內(nèi)波情況下海面的多普勒譜。動(dòng)態(tài)海面生成的的時(shí)間間隔為Δt=0.005 s，時(shí)間采樣點(diǎn)為1024，總的觀測時(shí)間為T=5.12 s。一共取50組動(dòng)態(tài)海面樣本進(jìn)行集平均，計(jì)算動(dòng)態(tài)海面多普勒譜。

圖3 不同參數(shù)對調(diào)制深度的影響Fig. 3 Dependence of the modulation depth on different parameters

圖4 內(nèi)波對動(dòng)態(tài)海面多普勒譜的影響Fig. 4 The influence of Doppler spectra from internal wave

從圖4可以看出，對比沒有內(nèi)波的情況，有內(nèi)波的情況下，多普勒譜會(huì)在峰值附近有所下降，而在非峰值部分譜值有所上升，對應(yīng)的，多普勒譜產(chǎn)生了一定的展寬。為了解釋這一現(xiàn)象，我們假設(shè)原來能引起海面Bragg散射的毛細(xì)波成分波數(shù)為k。根據(jù)內(nèi)波對毛細(xì)波調(diào)制的原理可知：由于內(nèi)波的存在，表面毛細(xì)波受到了調(diào)制，一部分產(chǎn)生幅聚，體現(xiàn)在粗糙度變大，毛細(xì)波的波數(shù)就會(huì)相應(yīng)變大；相反，產(chǎn)生幅散效應(yīng)的毛細(xì)波波數(shù)會(huì)相應(yīng)變大。不同的波數(shù)對應(yīng)不同的波傳播速度，而不同的傳播速度就會(huì)體現(xiàn)在多普勒譜上，對應(yīng)不同的多普勒頻率，因此使得峰值多普勒頻率對應(yīng)的譜下降，而其他區(qū)域譜值變大。

圖5給出了不同參數(shù)的變化對多普勒譜的影

響。從圖5(a)中可以看出，隨著內(nèi)波振幅的增大，多普勒譜的變化模式和圖4中一致，即峰值頻率對應(yīng)值減小，其他頻率對應(yīng)值增大。內(nèi)波振幅越大，這種影響越明顯。圖5(b)顯示了不同上層深度對多普勒譜的影響，上層深度越淺，內(nèi)波對多普勒譜影響越明顯。同時(shí)海水上下層密度差越大，內(nèi)波對多普勒影響越明顯(如圖5(c)所示)。圖5(f)表明，隨著風(fēng)速的增大，頻移變大，多普勒頻譜變寬，可以看到，多普勒譜隨海態(tài)條件的變化與沒有內(nèi)波的海面多普勒變化規(guī)律相同。由此可見，內(nèi)波的存在只是影響了多普勒譜的值和寬度，并沒有影響海面回波多普勒譜隨風(fēng)速的變化規(guī)律。

圖5 不同參數(shù)對多普勒譜的影響Fig. 5 Dependence of the Doppler spectra on different parameters

4 結(jié)束語

本文研究了海洋內(nèi)部有內(nèi)波存在時(shí)海面的散射特性，基于KdV方程建立孤立內(nèi)波模型，考慮波-流相互作用，對毛細(xì)波進(jìn)行調(diào)制，最后利用復(fù)合表面模型，計(jì)算了內(nèi)波存在和不存在時(shí)海面的散射系數(shù)變化，以及動(dòng)態(tài)海面的多普勒譜。計(jì)算結(jié)果顯示，內(nèi)波會(huì)使得海面散射系數(shù)出現(xiàn)波動(dòng)起伏，體現(xiàn)為暗亮相間的條紋。內(nèi)波存在的情況下，會(huì)使得回波的多普勒譜中間降低，兩邊升高，造成頻譜變寬的現(xiàn)象。

[1]Hughes B A and Gower J F. SAR imagery and surface truth comparisons of internal waves in Georgia Strait, British Columbia, Canada[J].Journal of Geophysical Research Oceans, 1983, 88(C3): 1809–1824.

[2]Hughes B A and Dawson T W. Joint Canada-U.S. ocean wave investigation project: an overview of the Georgia strait experiment[J].Journal of Geophysical Research Oceans, 1988, 93(C10): 12219–12234.

[3]Gasparovic R F and Etkin V S. An overview of the Joint US/Russia internal wave remote sensing experiment[J]. International Ceoscience and Remote Sensing Symposium, IGARSS'94, 1994, 2: 741–743.

[4]Alpers W. Theory of radar imaging of internal waves[J].Nature, 1985, 314(6008): 245–247.

[5]West J. Correlation of Bragg scattering from the sea surface at different polarizations[J].Waves in Random and Complex Media, 2005, 15(3): 345–403.

[6]Zheng Quanan, Yuan Y, and Klemas V. Theoretical expression for an ocean internal soliton synthetic aperture radar image and determination of the soliton characteristic half width[J].Journal of Geophysical Research Oceans, 2001, 106(C12): 31415–31423.

[7]Brandt P, Romeiser R, and Rubino A. On the dependence of radar signatures of oceanic internal solitary waves on wind conditions and internal wave parameters[J]. 1998 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium Proceedings IGARSS'98, 1998, 3: 1662–1664.

[8]李海艷. 利用合成孔徑雷達(dá)研究海洋內(nèi)波[D]. [碩士論文], 中國海洋大學(xué), 2004: 第一章, 11–19. Li Hai-yan. Studying ocean internal waves with SAR[D]. [Master dissertation], Ocean University of China, 2004: Chap. 1, 11–19.

[9]Ouyang Yue, Chong Jin-song, and Wu Yi-rong. Simulation studies of internal waves in SAR images under different SAR and wind field conditions[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2011, 49(5): 1734–1743.

[10]Liu A K, Chang Y S, and Hsu M K. Evolution of nonlinear internal waves in the East and South China Seas[J].Journal of Geophysical Research Oceans, 1998, 103(C4): 7995–8008.

[11]Fuks I M. Wave diffraction by a rough boundary of an arbitrary plane-layered medium[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2001, 49(4): 630–639.

[12]陳琿. 動(dòng)態(tài)海面及其上目標(biāo)復(fù)合電磁散射與多普勒譜研究[D]. [博士論文], 西安電子科技大學(xué), 2012: 第四章, 70–76. Chen Hui. A study of electromagnetic composite scattering and doppler spectra of a target at time-evolving sea surface[D]. [Ph.D. dissertation], Xidian University, 2012: Chap. 4, 70–76.

[13]Peterson P and Groesen E V. A direct and inverse problem for wave crests modelled by interactions of two solitons[J].Physica D, 2001, 141(14): 316–332.

[14]Peterson P and Groesen E V. Sensitivity of the inverse wave crest problem[J].Wave Motion, 2001, 34(4): 391–399.

[15]Peterson P, Soomere T, and Engelbrecht J. Soliton interaction as a possible model for extreme waves in shallow water[J].Nonlinear Processes in Geophysics, 2003, 10: 503–510.

魏儀文(1988–)，女，陜西咸陽人，現(xiàn)為西安電子科技大學(xué)物理與光電工程學(xué)院博士生，研究方向?yàn)橛?jì)算電磁學(xué)、復(fù)雜海面的電磁散射。

E-mail: wei_yiwen@163.com

郭立新(1968–)，男，博士，無線電物理學(xué)科博士生導(dǎo)師，西安電子科技大學(xué)物理與光電工程學(xué)院執(zhí)行院長，主要研究方向?yàn)閺?fù)雜目標(biāo)與地海環(huán)境電磁散射特性、隨機(jī)介質(zhì)中的電波傳播特性等。

E-mail: lxguo@xidian.edu.cn

殷紅成(1967–)，男，研究員，專業(yè)總師，博士生導(dǎo)師，主要研究興趣為電磁散射、雷達(dá)目標(biāo)特性、目標(biāo)識(shí)別等。

E-mail: yinhc207@yahoo.com.cn

Analysis of the Scattering Characteristics of Sea Surface with the Influence from Internal Wave

Wei Yi-wen①②Guo Li-xin①②Yin Hong-cheng③

①(State Key Laboratory of Integrated Services Networks,Xidian University,Xi’an710071,China)

②(School of Physics and Optoelectronic Engineering,Xidian University,Xi’an710071,China)

③(National Electromagnetic Scattering Laboratory,Beijing100854,China)

The internal wave travels beneath the sea surface and modulate the roughness of the sea surface through the wave-current interaction. This makes some dark and bright bands can be observed in the Synthetic Aperture Radar (SAR) images. In this paper, we first establish the profile of the internal wave based on the KdV equations; then, the action balance equation and the wave-current interaction source function are used to modify the sea spectrum; finally, the two-scale theory based facet model is combined with the modified sea spectrum to calculate the scattering characteristics of the sea. We have simulated the scattering coefficient distribution of the sea with an internal wave traveling through. The influence on the scattering coefficients and the Doppler spectra under different internal wave parameters and sea state parameters are analyzed.

Internal wave; Electromagnetic scattering; Doppler spectrum

TN926

A

2095-283X(2015)03-0326-08

10.12000/JR15060

魏儀文, 郭立新, 殷紅成. 海洋內(nèi)波對海面電磁散射特性的影響分析[J]. 雷達(dá)學(xué)報(bào), 2015, 4(3): 326–333.

10.12000/JR15060.

Reference format:Wei Yi-wen, Guo Li-xin, and Yin Hong-cheng. Analysis of the scattering characteristics of sea surface with the influence from internal wave[J].Journal of Radars, 2015, 4(3): 326–333. DOI: 10.12000/JR15060.

2015-05-18 收到，2015-06-15 改回

自然科學(xué)基金杰出青年科學(xué)基金(61225002)和中央高校業(yè)務(wù)費(fèi)資助課題

*通信作者： 魏儀文 wei_yiwen@163.com