[发明专利]一种动态海面激光脉冲波束回波仿真方法

权利要求书

1.一种动态海面的激光脉冲波束回波仿真方法，用于实现海面近程激光雷达虚拟实验动态粗糙海面任意波束脉冲波束回波仿真，其特征在于：

所述仿真方法包含：

步骤1：用光学波形测量仪获得某一距离剖面上激光发射波束空间强度分布离散数据，拟合得到强度分布解析表达式，并基于能量守恒原理确定任意距离处剖面光强空间分布；

步骤2：用脉冲测量仪和示波器获得激光发射脉冲时域波形，拟合得到其解析式；

步骤3：根据不同海情，建立基于统计海谱模型的包含风速、浪高、海浪周期参数的动态海面模型，并基于逆FFT获得顶点的高程分布，法线分布，及其随时间变化特征；用空间频率域波分解方法表示海面，通过逆FFT得到海面空间高程表示；

步骤4：基于Torrance-Sparrow模型建立水面面元双向反射分布函数统计模型，从而获得海面的亮度空间角分布特性；

步骤5：基于辐射度学建立后向散射回波脉冲与发射波束、海面几何模型、面元双向反射分布函数统计模型、海水介电常数的关系式，获得激光波束后向散射脉冲雷达方程；

步骤6：基于步骤3中生成的动态海面模型数据，利用计算机图形库OpenGL实现对动态场景的着色、渲染、图像效果处理、纹理映射、实时动画绘制，并根据激光脉冲发射器的几何位置关系，绘制激光脉冲波形与海面的交互状态；

步骤7：针对场景中所有面元采用颜色索引方法，将面元的法线，材质信息编码耦合到像素颜色中，利用三维图形显示卡的硬件加速性能，根据发射接收视场实现将探测器坐标系下的场景从三维到二维的投影变换，从而获得投影到视口的像素信息，并对此像素信息进行解码分析，获得经过遮挡和消隐处理后的离散化场景信息；

步骤8：基于步骤5中得到的激光波束后向散射脉冲雷达方程，利用步骤7中获得的离散化场景信息与激光脉冲波束进行时域离散卷积，从而计算脉冲波束后向散射回波特性；根据结果对步骤4中基于Torrance-Sparrow模型建立的双向反射分布函数模型参数进行修正，直至模型有效。

2.如权利要求1所述的动态海面的激光脉冲波束回波仿真方法，其特征在于：

步骤1中，高斯波束拟合得到的强度分布解析表达式为

        

       

为激光波束半径，为激光发散角，为激光半波束宽度；为脉冲时域波形。

3.如权利要求2所述的动态海面的激光脉冲波束回波仿真方法，其特征在于：

步骤2中激光发射脉冲时域波形拟合得到的解析式为

      

其中，为脉冲能量，脉冲标准差，表示脉冲半宽度，为脉冲峰值延时。

4.如权利要求3所述的动态海面的激光脉冲波束回波仿真方法，其特征在于：

步骤3中，还用空间频率域波分解方法表示海面，通过逆FFT得到海面空间高程表示；

其中，决定开放海域波动态特性的色散关系近似为

      

是频率，是波数，是引力常数，是海水密度，是表面张力；

影响海面粗糙度的风驱引力波，其波高幅度从统计模型获得，统计模型通过对照相和雷达散射测量的统计分析得到；

水面的零阶近似是平面，在该平面上划分均匀的网格，计算各离散网格点的垂直位移，再通过对各点的双线性插值得到模拟的海面；

网格点在任意时刻的高程表示为

    

其中，为2D矢量，，其分别是、的整数倍；、分别是x，y方向水面的总尺寸；随机相位决定风驱海面的随机特性。

5.如权利要求4所述的动态海面的激光脉冲波束回波仿真方法，其特征在于：

步骤4中，双向反射分布函数表达式为

      

，分别为待定镜反射系数和漫射系数；单个水面面元由大量统计分布微面元组成，微面元法线矢量和水面面元法线夹角α的分布概率由决定：

       

m是表面微面元法线的均方根斜率；

归一化因子const通过对在半球空间积分归一化得到

      

是和的函数；

G为Torrance-Sparrow模型的几何衰减因子，为照亮面元对反射通量的贡献比例，，为水面面元法线和观测方向的夹角；为水面面元法线和太阳入射光线的夹角；是微面元法线和太阳入射方向的夹角，为菲涅尔反射率。

6.如权利要求5所述的动态海面的激光脉冲波束回波仿真方法，其特征在于：

步骤5中，计算单个面元散射亮度为

       

探测器接收光的全部功率为

       

为面元面积，为水面面元法线和观测方向的夹角；

探测器视场覆盖范围内所有面元的贡献为

     。