海面归一化雷达横截面的半经验模型外文翻译资料

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海面归一化雷达横截面的半经验模型

1-背景谱

V. N. Kudryavtsev，Danie`le Hauser and Geacute;rard Caudal，Bertrand Chapron

[1] 基于布拉格理论的多尺度复合模型被广泛用于研究海面上的归一化雷达截面（NRCS）。 然而，这些模型无法在所有结构和风浪条件下正确再现NRCS。我们已经开发了一个物理模型，不仅考虑了布拉格机制，还考虑了与波浪破碎有关的非布拉格散射机制。 建立了一个单一的模型，以相同的物理基础解释NRCS的背景行为和HH和VV极化下的波雷达调制传递函数（MTF）。NRCS被假定为布拉格部分（双尺度模型）和非布拉格部分的总和。 对海面的描述是基于Kudryavtsev等[1999]研制的短风浪谱（从几毫米到几米的波长）和Phillips [1985]提出的波浪破碎统计。我们假设非布拉格散射由来自非常粗糙的波浪破碎模式的准镜面反射支持，并且总体贡献与表面的白帽覆盖相适应。 提出了NRCS模型与观测值的比较。 我们发现，无论是纯粹的布拉格还是复合布拉格模型，都不能在宽范围的雷达频率，风速，入射角和方位角上重现海面NRCS的观测特征。 模型中非布拉格部分的引入使得与观测值的一致性得到了改善。 在第二部分中，我们将模型扩展到波雷达MTF问题。

1. 前言

[2] 中等入射角海面的归一化雷达截面（NRCS）模型通常被视为描述Bragg散射机制（对波长在电磁波量级的表面波的有效）综合效应和由于较长潜在波浪引起的局部倾斜效应的复合模型[Plant，1986； Donelan和Pierson，1987； Romeiser等，1994； Romeiser和Alpers，1997； Janssen等，1998]。 然而，人们认识到，使用这种模型，很难在大范围的雷达频率，入射角，对于不同的极化状态以及风和波的变化条件下，获得对归一化雷达横截面的一致描述。特别是在一些发表文献中已经提到，可以提供一致的VV极化结果的模型，与HH极化的观测结果不一致[例如Plant，1990； Janssen等，1998]。 这些模型不能正确地重现NRCS在HH和VV极化下观测到的方位行为[Quilfen 等，1999]，也无法解释长表面波对观测到的NRCS调制[例如Schmidt等，1995]。 提出解释这个缺点的解释通常是基于非布拉格散射起重要作用（在HH中比在VV极化中更重要）的想法。 这一事实的实验证据是测得的极化比率与布拉格预测值有很大的偏差[Thompson等，1998； Horstmann等，2000]。

[3] 在这种情况下，这套两篇论文（第一部分和第二部分）的总体目标是提出一个考虑到雷达波散射来自波浪破碎的NRCS的半经验模型。 按照预期，在VV和HH极化下，在大范围的无线电波频率，入射角和风的条件下，该模型应该描述海面的背景雷达特征和由长表面波（雷达调制传递函数[MTF]）对NRCS的调制。 可以看出，所建立的模型能够解释背景NRCS与入射角，雷达频率，风速和极化状态（第一部分）的观测依赖性，以及波雷达MTF（第二部分）的测量。

[4] 我们考虑中等入射角下VV和HH雷达后向散射（镜面反射被忽略）。布拉格和非布拉格散射机制在概念上是区分的。 在第2节中，我们给出了模型的控制方程。 布拉格部分遵循复合布拉格理论的标准方法[Bass等，1968； 赖特，1968年； Plant，1990]，其考虑了由于具有电磁波长量级波长的表面波引起的布拉格散射，叠加在较长的倾斜波浪上。 对于非布拉格部分，我们扩展了菲利普斯[1988]提出的拟态现象学方法，其中破碎波对回波能量的总体贡献与波浪破碎前沿统计有关。

[5] 第3节描述海面模型（波浪谱和破碎波的统计特性）。对于短风波（波长从几毫米到几米）模型遵循Kudryavtsev等[1999]早期的发展， 是基于风输入与粘性和波浪破碎耗散之间的能量平衡。在毛细波范围内，考虑了寄生毛细波的产生机制。该模型包含两个饱和水平的调谐参数和表面重力波平衡范围内的风指数。为了拟合Cox和Munk [1954]观测的模型均方斜率，指定了前一个参数。 选择重力波范围内的模型风指数与现有的雷达观测结果一致。谱能量的角度扩展不具有任何调谐常数，我们表明波谱的风指数对其进行了定义。

[6] 在第4节中，我们提出了雷达截面模型，其中倾斜波的影响在二阶中被考虑[Plant，1986]。 采用这种方法，NRCS是纯Bragg项（由于较长波的倾斜导致的项）和由于倾斜和水动力效应之间的互相关导致的项的总和。 基于这种复合Bragg散射模型的海面NRCS的计算与多组机载雷达数据进行比较。 我们表明，这种复合布拉格散射模型是不能够重现多种入射角度的VV和HH极化的多谱雷达观测观察。 布拉格模型与观测值之间的主要差异与极化比（VV极化中的NCRS与HH极化中的NCRS之比）以及NRCS的逆风/顺风比有关。如所暗示的那样，这种差异是由于非布拉格散射机制的显着贡献。 对于非布拉格散射，我们完成了Phillips[1988]的原始方法。 在适中入射角下，来自破碎波的雷达回波与由波浪破碎引起的粗糙度增加的表面面积成比例。每个单独破碎区域的散射是方位独立的，但取决于入射角作为准镜面反射。 这个非布拉格散射部分的主要调谐参数是NRCS与破碎波引起粗糙增加的面积有关，它被选择为适合Unal等[1991]和Masuko等[1986]的实验结果。

[7] 在第5节中，我们将模型的结果与X波段[Hauser等，1997]和C波段[Horstmann等，2000； Vachon和Dobson，2000]的其他经验模型结果相比。 我们还将截断傅里叶级数形式模型的表示与用于C波段中（CMOD模型ERS [Bentamy等，1994]）和Ku波段（NSCAT模型[Wentz and Smith， 1999]）的星载系统的经验地球物理函数的预测比较。 我们表明，该模型能够重现观测到的极化比，频率，入射角，风速和方位角的主要行为。

[8] 第六部分给出了第一部分的总结和结论。在第二部分，海面和后向散射模型被用来研究雷达调制传递函数，它把NRCS的调制与长表面波联系起来。

2. 雷达后向散射：控制方程

2.1. 布拉格散射

[9] 我们考虑布拉格散射机制在一个双尺度模型的框架内，布拉格波叠加在较长的倾斜波上[Bass 等，1968；赖特，1968]。 在中等入射角（一般为20-60^o），雷达后向散射理论是基于随机粗糙表面共振微波散射的机理[如Plant，1990]。 对于一个纯粹的布拉格过程，归一化雷达截面与布拉格波数处的表面高程谱成正比：

（1）

其中p表示HH或VV极化状态，是表面波散射无线电波的波数，kr是雷达波数，是入射角，是天线方位角，是海面位移的二维波数方差（折叠）谱，Gp是布拉格散射几何系数。

[10] 折叠谱通过下式与方向波数谱相关：

（2）

对于海面而言，HH和VV散射系数是：

（3）（4）

等式（3）-（4）写在这里，由Plant [1986]给出，其使用全方程的简化形式（假设海水的介电常数较大为81）。 从方程（1）可以看出，对于一个给定的入射角，雷达信号由短风浪谱的水平及其在方位上的分布来定义。

[11] 在实际情况下，短风波散射无线电波沿着较长表面波（LW）前进，纯布拉格理论失效。 Bass等[1968]和Wright [1968]开发的复合后向散射模型将布拉格理论扩展到真实风海的情况。在这个模型的框架下，LW表面上的每个小区域根据布拉格理论散射无线电波，然而入射角和入射平面的旋转是与LW局部表面斜率相关的随机函数。 平均NRCS是总的沿LW的各个小块的“局部”横截面的结果。 在中等入射角和小的LW斜率上，海面的NRCS由下式确定：

（5）

其中表示LW尺度上的平均值，和分别是沿入射平面和穿过入射平面的倾斜波的斜率（x轴指向入射平面）。是布拉格波数，。 极化V和H处的散射系数Gp分别为：

（6）（7）

通常认为倾斜LW的尺度必须超过布拉格波长的几倍。 从等式（5）可以清楚地看出，倾斜LW对平均NRCS的贡献出现在LWs斜率的二阶中。 尽管如此，这种贡献不可忽略，并且可能显着影响NRCS，尤其是在HH极化时[例如，Plant，1986]。

2.2. 非布拉格散射

[12] 在小入射角（包括法向入射）来自海面的镜面反射是导致非布拉格散射的主要机制，镜面反射分量的NRCS是[Valenzuela，1978]：

（8）

其中R是法向入射时的反射系数，是在入射面方向上支持镜面反射的波的均方斜率，是相应的标准偏差，是这些波在垂直于入射面方向上斜率的标准偏差。 通常认为，提供镜面反射的表面波的波长大于雷达波长的3至10倍。 这些波的均方斜率一般很小； 因此小（接近法向）入射角下镜面反射支配NRCS。 随着入射角

增加（），与布拉格散射分量相比，它们的作用变得可以忽略不计。 在下面，我们不会考虑这个镜面反射分量，因为我们感兴趣的观测角度大于20^o。

[13] 此外，已经认识到复合布拉格理论不完全适合解释和表示在中等入射角度（）的雷达特征。 尤其是在高分辨率雷达观测，或者观测到的极化比（VV极化雷达回波与HH雷达回波的比率）与布拉格理论预测的较大偏差中存在“海峰值”。 NSCAT全极化数据集的分析[Quilfen等，1999； Tran，1999]或ERS和RADARSAT观测资料的综合分析[Horstmann等，2000]结果都证明了标准复合布拉格理论在中等入射角下是不合适的。 Plant等[1999]也表明，在风波槽中观察到的极化比与标准复合布拉格理论不一致。

[14] 已经有人提出了一些合理的机制来解释这一点。Plant 等[1999]从他们的风波槽测量结果表明，以主波速度运动的束缚波的存在改变了均方斜率和平均倾斜角， 从而影响NRCS的逆风/顺风比和极化比。 在复合布拉格理论中引入这些束缚波的统计特性，Plant等[1999]能够重现NRCS的观测特征。 然而，他们认识到，在海面真实条件下，即使束缚倾斜波已经被证实，它们的谱密度太小而不能影响雷达特征。其他机制，基于非布拉格散射，已被援引来解释雷达的特征：无线电波在破碎波峰的陡峭楔形上的衍射[Kalmykov和Pustovoytenko，1976]，从陡峭的破碎波前面的准镜面反射[Kwoh and Lake， 1984； Melville 等， 1988； Winebrenner and Hasselmann， 1988]，增加了由破碎波产生的强烈粗糙度造成的后向散射[Kwoh and Lake， 1984； Banner and Fooks， 1985； Ericson 等， 1999]。 在这里，我们将遵循这些建议，并提出一个模型，它解释了复合布拉格散射和非布拉格散射。

[15] 过去已经提出了散射问题的一些分析和数值解。 在这些研究中，我们提到Lyzenga和Ericson [1998]最近对在相当于陡峭Stokes波的楔形上的微波衍射的研究。 结果表明：波峰曲率半径r_c增大时，后向散射功率迅速下降； 在时，返回信号变得不重要。 虽然在中等角度楔形衍射可能对观察到的雷达后向散射产生重大影响，但他们认为，这种机制只能在低频有效（如L波段）。事实上，表面张力阻止了波峰非常小的表面曲率，在更高的频率下它们起到了雷达散射体的作用。因此，楔形衍射在K-，X-和C-波段中不会显着发生。 Ericson等[1999]（在演示）进行的静态破碎波雷达后向散射的最近的详细实验室研究表明，由于破碎波峰产生的小尺度粗糙度的非相干后向散射，破碎波峰附近的雷达回波强烈增加。破碎波峰处粗糙度增加的NRCS值为（-6至3 dB），极化比接近于1。他们得出结论认为，由破碎波产生的表面扰动造成的非相干散射可能解释了在中等入射角度的实际条件下观测到的海浪峰 （高雷达回波）和小极化比的起源。他们还表明，在破碎波峰附近，非线性散射的基尔霍夫近似很好地再现了NRCS，而远离破碎波峰的雷达后向散射遵循布拉格模型预测。

[16] Phillips[1988]发展了一种富有成效的现象学方法来描述非布拉格散射。 考虑到任何非布拉格散射机制与波浪破碎事件有关，Phillips将与波浪破碎前沿相关的散射区域的贡献描述为它们对NRCS的总体贡献。 如果是每单位表面波破碎前沿的总长度（与k到k dk范围内的波数有关），则散射面积（雷达目标面积）与成比例，所有波破碎前沿对海面NRCS的总贡献是：

（9）

其中是一个经验函数，我们将在后面从方程（9）与雷达测量的比较中定义。 方程（9）中可以很容易地考虑到Ericson等[1999]最近的结果。 在这种情况下，方程（9）中的直接与破碎波峰附近扰动区域的NRCS有关。

[17] 随机分布在海面上的破碎波的镜面反射和散射在统计上与“常规”风浪覆盖的海面发生的布拉格散射无关。 因此，海面的总NRCS可以表示为布拉格散射（方程（5），），镜面反射(方程（8））和来自破碎波的非布拉格散射（方程（9））之和：

（10）

根据雷达观测资料，有人提出，和与极化无关。

[18] 为了根据公式（10）计算雷达截面，我们需要指定风浪谱和波浪破碎前沿的谱分布。下面的部分将描述将用于NRCS模型的海面模型。

3. 海面的统计特性

3.1. 控制方程和背景谱 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

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