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海浪谱修正法提升红外海面建模精度
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更新于2024-06-27
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本文主要探讨了在红外偏振目标检测中至关重要的海面场景偏振特性研究,特别是针对海面建模的深入分析。海面建模是进行精确的海面偏振仿真研究的基础,其精度直接影响到红外成像设备对海洋环境的识别能力。 文章首先对现有的海浪谱模型进行了评估,指出这些模型在模拟海面复杂光学特性时可能会受到高频成分的限制。为了改进这一点,作者提出了一个关键的修正方法,该方法旨在增强海浪谱模型的准确性。他们将海浪的高频分量通过指数形式融入到低频分量中,这种处理方式有助于更好地捕捉实际海面的波动细节。 接着,研究人员利用RadTherm软件这一强大的工具,将其与自定义的偏振度计算模型结合。通过这种方法,他们对比了采用修正方法和传统方法模拟生成的海面在长波红外下的偏振特性。实验结果显示,修正后的海面建模方法在保持高精度的同时,显著提高了在较低空间采样率下的性能。具体来说,新方法生成的海面高度分布和微面元斜率分布更接近实际测量数据,这表明其在模拟复杂海况下的表现优于传统方法。 总结而言,这篇文章的核心贡献在于提出了一种有效的海面建模修正策略,这不仅有利于红外偏振目标检测的精确性,还为相关领域的科研人员提供了一种在有限计算资源下实现高效仿真和数据分析的新途径。通过这种方式,研究者能够更好地理解和预测海洋表面的光学行为,从而提升红外成像系统的海洋环境适应性和信噪比。
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式中:k
f
和 k
h
为海浪谱中包含了足够大能量的波数区间的最大值和最小值。为使得修正后的
海浪谱在 k
f
~k
Ny
采样区间内具有与原始海浪谱在 k
f
~k
h
区间内相同的能量,令
σ2=∫kNykfk2S^(k)dk=∫kpkfk2S(k)dk+∫kNykpk2[1+δNy(k−kpkNy−kp)r]S(k)dk=∫kNykfk2
S(k)dk+δNy∫kNykpk2(k−kpkNy−kp)rS(k)dk
。
(4)σ2=∫kfkNyk2S^(k)dk=∫kfkpk2S(k)dk+∫kpkNyk21+δNyk-kpkNy-
kprS(k)dk=∫kfkNyk2S(k)dk+δNy∫kpkNyk2k-kpkNy-kprS(k)dk。(4)
结合(3)式和(4)式可得
∫kNykfk2S⎛⎝⎜k⎞⎠⎟dk+∫khkNyk2S⎛⎝⎜k⎞⎠⎟dk=∫kNykfk2S⎛⎝⎜k⎞⎠⎟dk+δNy∫
kNykpk2(k−kpkNy−kp)rS⎛⎝⎜k⎞⎠⎟dk⇒δNy=∫khkNyk2S(k)dk∫kNykpk2(k−kpkNy−kp)rS(k)dk
。
(5)∫kfkNyk2S(k)dk+∫kNykhk2S(k)dk=∫kfkNyk2S(k)dk+δNy∫kpkNyk2k-kpkNy-
kprS(k)dk⇒δNy=∫kNykhk2S(k)dk∫kpkNyk2k-kpkNy-kprS(k)dk。(5)
因此,海面建模修正模型为
S^⎛⎝⎜⎜⎜k⎞⎠⎟⎟⎟=⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪S(k),⎡⎣⎢1+∫khkNyk2S(k)dk∫kNykpk2(k−kpkNy−
kp)rS(k)dk(k−kpkNy−kp)r⎤⎦⎥S⎛⎝⎜k⎞⎠⎟,k≤kpk>kp
。
(6)S^(k)=S(k),k≤kp1+∫kNykhk2S(k)dk∫kpkNyk2k-kpkNy-kprS(k)dkk-kpkNy-
kprS(k),k>kp。(6)
3 仿真分析
3.1 海面建模仿真
相比 PM 谱和 Jonswap 谱,Elfouhaily 谱对高频和低频都进行了修正,三种海浪谱曲线如图
1 所示。此外,利用(1)式可以求出三种海浪谱在不同风速下的微面元斜率方差和海面高度标
准差(ESTD)的理论值,如图 2 所示。可以看出,Elfouhaily 谱的理论值与 Cox-Munk 公式和
Apel 的海浪高度经验公式符合得很好。因此,为取得更高的海面建模精度,仿真中将
Elfouhaily 谱作为修正对象。图 2 中 Apel 数据取自文献[ 9],Cox-H 和 Cox-L 分别表示 Cox-
Munk 公式中微面元斜率方差的最大值和最小值。
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