前言

海面上除了风驱海面自然产生的海浪之外，舰船的运动也会带来特定形态的波浪，统称为舰船尾迹。尾迹是真实海上运动舰船场景中不可缺失的部分，海面舰船尾迹在合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）图像中往往表现出特别显著的散射特征，而且不同舰船在不同运动状态时所具有尾迹的电磁散射和成像特征也有所不同，使得尾迹成为识别舰船目标的类型、位置、航速和航向信息等特征的重要途径。开展舰船尾迹的雷达成像机理和特征提取技术研究，可以为海洋目标遥感、舰船目标特征提取和环境监测，特别是为海面目标高分辨率观测技术提供重要的理论基础和新方法。

1978年在SeaSat的SAR图像上，人们第一次发现海洋表面延伸20km长的舰船尾迹。自此，科学家们逐渐开始关注SAR图像中的舰船尾迹并进行研究。1986年在IGARSS’86会议上，美国科学家Lyden发表了关于SAR图像舰船尾迹类别和产生机理的研究论文。1989年在苏格兰林纳湖（Loch Linnhe）所做的SAR图像相关实验充分显示了内波尾迹的显著特征。2000年在加拿大由海洋遥感联盟召集，专门召开了世界上第一次关于海岸水域舰船检测的专题讨论会“Ship Detection in Coastal Waters Workshop2000”，研究了不同尾迹对SAR图像的调制机理。近十几年来，SAR系统已经能获得令人较为满意的海洋图像，通过实验观测，科学家对舰船尾迹和海洋内波成像进行了系统研究，建立了多种基于SAR图像的舰船目标监视系统。同时，随着计算机技术的快速发展，逐渐出现了尾迹SAR图像仿真及其应用的研究。Zilman等人依据双尺度模型和速度聚束积分对Kelvin尾迹的SAR图像进行了仿真分析，利用快速离散Radon变换对Kelvin尾迹边界进行检测，同时估计了检测方法的失检率和虚警率。Graziano等人根据SAR图像中典型尾迹的纹理特征，利用Radon变换实现了舰船目标的检测和航迹估计，并且进一步结合X波段TerraSAR-X 和COSMO/SkyMed的SAR图像数据开展了尾迹探测识别算法在不同极化和入射方位角下舰船目标航迹和船速预估方面的应用研究。然而，现有研究多是通过对实际SAR图像的分析来研究尾迹及舰船检测方法的，由于实验条件复杂，难以很好地解释所观测的结果，缺乏对SAR图像中尾迹纹理特征的完备分析。而且，不同SAR平台的测试参数（信号的入射方位角、极化、带宽运动速度等）和不同船速的舰船尾迹的几何形态和电磁散射特征是不同的，对应的Kelvin尾迹、湍流尾迹、内波尾迹，特别是水下运动目标的内波尾迹的电磁成像机理和SAR图像仿真方法仍然缺失。因此，必须通过舰船尾迹的电磁散射特性研究，更好地理解SAR成像机理，开展SAR图像仿真，进而促进舰船目标特征识别技术的研究。

鉴于此，形成一套系统而完整的舰船尾迹电磁成像仿真方法和应用技术无疑是必要且紧迫的。本书立足于舰船尾迹电磁成像机理问题，结合海洋计算流体力学和舰船运动特征，建立了Kelvin尾迹、湍流尾迹和内波尾迹的非线性流场几何模型，重点通过著者团队建立的调制谱面元散射模型（Modulated Facet Scattering Model，MFSM），结合实测数据，力求实现对Kelvin尾迹、湍流尾迹、内波尾迹的电磁散射机理的准确描述，在获取包含不同舰船尾迹的大场景海面的电磁散射模型和尾迹SAR图像仿真算法的基础上，完成舰船尾迹的SAR图像仿真和基于尾迹的目标特征识别技术研究。

全书共8章。其中，第1章对海面舰船尾迹电磁散射的基本概念和理论进行介绍；第2章给出传统线性叠加Kelvin尾迹的SAR图像仿真方法；第3章针对远场湍流尾迹与背景波耦合难题，提出一种调制谱面元散射模型，并结合计算流体力学仿真，对包含Kelvin尾迹、湍流尾迹以及背景海浪的SAR图像进行仿真与特征分析；第4章探讨辐射输运理论及其在泡沫流尾迹电磁计算中的应用；第5章主要对包含波浪破碎的舰船近场尾迹的电磁散射特性进行建模与特性分析；第6章主要介绍分层海洋条件下内波尾迹的电磁散射计算和成像方法；第7章主要探讨和分析不同分层条件下水下运动目标尾迹的电磁散射和雷达图像特征变化；第8章围绕舰船尾迹的各类工程应用展开讨论，主要包括基于神经网络的尾迹SAR图像检测、基于尾迹的舰船参数反演，以及利用尾迹特征进行浮标目标隐身优化设计的方法。

本书是西安电子科技大学复杂地海环境目标雷达散射成像与特征控制团队老师和研究生长期科研工作的积累和辛勤劳动的结晶，也是著者及所在团队近年来在海面舰船尾迹的雷达特性领域研究工作的总结。这里要特别感谢团队中的罗伟博士、赵言伟博士、聂丁博士、陈珲博士、孙荣庆博士、罗根博士、魏鹏博博士、王佳坤博士、陈俊龙博士和李金星博士和团队中各届博士研究生和硕士研究生。同时，本书得到了国家自然科学基金（62171351、61771355、61372004、41306188、60871070）、航空科学基金（20200001081006）、中央高校基本科研业务费专项资金和目标与环境电磁散射辐射重点实验室基金的资助，在此对相关人员表示诚挚的谢意。此外，中国航天科工集团第二研究院207所（北京环境特性研究所）、北京控制与电子技术研究所、中国航天科工集团第三研究院三部对本书的相关研究也给予了大力支持，在此深表感谢。

由于著者水平有限，书中难免有不足之处，恳请读者批评指正。

著者

2023年6月