[发明专利]时变多尺度电大区域海面电磁散射矢量场的并行计算方法

权利要求书

1.一种时变多尺度电大区域海面电磁散射矢量场的并行计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)利用叠加法基于海谱建立时变多尺度电大区域海面模型，根据不同的雷达参数，剖分为不同的面元，结合CUDA高性能并行计算方法，对海面每个点的高度进行并行建模，每个kernel对应每个点，提高建模效率；

2)基于大尺度重力波分量成立条件与小尺度张力波分量成立条件，给出不同频率不同海情大尺度重力波与小尺度张力波的截断波数k_cut；

3)基于截断波数k_cut，当面元为大尺度重力波时，利用面元基尔霍夫方法求得相干散射场，当面元为小尺度张力波时，利用面元小扰动近似方法得到基于大尺度面元本地坐标系下的张力波Bragg散射场，并利用Z-Buffer方法对不同雷达照射下海面进行面元遮挡判断；

4)利用重力波调制张力波谱的面元法及场的矢量叠加原理求得电大区域时变多尺度海面的电磁场的时间序列，最终得到场的多普勒谱；

5)基于GPU利用CUDA对每个海面的面元进行并行计算，每个kernel计算单个面元的散射场，同时进行计算，并对时间循环，利用异步传输理论，提高并行效率，大大提高计算效率；

将步骤3)基于入射频率与风速求得截断波数k_cut，面元为大尺度重力波时，利用面元基尔霍夫方法求得相干散射场：

其中，Z_x和Z_y为面元沿x方向与y方向上的斜率；(x₀,y₀,z₀)为每个面元的中心，为极化幅度系数，为入射极化波数矢量，为散射极化波数矢量，p,q＝h,v为入射波与散射波的极化方式；当面元为小尺度张力波时，利用面元小扰动近似方法得到基于大尺度面元本地坐标系下的张力波Bragg散射场：

其中，ε为粗糙海面相对介电常数，为海面单个面元的法线矢量，为本地坐标系下的极化系数，为毛细波幅度，k_c为Bragg波长对应的波数，ΔS为面元大小，J_n(x)为n阶贝塞尔函数；

利用Z-Buffer方法对不同雷达照射下海面进行面元遮挡判断。

2.根据权利要求1所述的时变多尺度电大区域海面电磁散射矢量场的并行计算方法，其特征在于，所述的步骤1)中给出基于叠加法的时变多尺度海面并行建模，时变多尺度海面大尺度重力波的建模，并对其进行并行计算提高效率：

S_1d(k)＝(B_L+B_H)/k³，S_dir＝[1+Δ(k)cos(2φ)]/2π (3)

其中，S(ω_i,θ_j-θ_w)为Efouhialy海谱；k_i、ω_i、θ_j和ε_ij分别表示组成波的波数、圆频率、方位角和初始相位；S_1d(k)为一维Efouhaily谱，S_dir为方向谱，B_L为长波曲率谱，B_H为短波曲率谱，k对应海面的波数，ω为角频率，ω²＝gk，ε_ij为海面的初始相位，在0～2π内满足均匀分布，φ为雷达波与风向的夹角；M，N代表频率和方向角的采样点数；基于线性叠加法的二维海面的模拟，本质就是对海面剖分网格计算，海面剖分网格越密，海面的采样点数就越多，那么得到的海面就更接近真实海面，但是这意味着更大的计算量，这对于采用串行方案进行二维海面模拟是非常耗时的， 在我们的并行方案中，充分利用二维海面仿真的内在并行性，采用粗粒度线程的并行策略，即一个GPU线程完成一个采样点的计算，这就意味着我们可以通过更加精细的剖分海面获得更加逼真的海面，但计算量并不会显著增加。