海面目标雷达散射特性与电磁成像 张民 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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张民 著

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出版社： 科学出版社

ISBN：9787030452610

商品编码：29331467468

包装：平装

出版时间：2015-07-01

基本信息

书名：海面目标雷达散射特性与电磁成像

定价：128.0元

作者：张民

出版社：科学出版社

出版日期：2015-07-01

ISBN：9787030452610

字数：450000

页码：

版次：1

装帧：平装

开本：16开

商品重量：0.4kg

编辑推荐

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《海面目标雷达散射特性与电磁成像》适合从事雷达设计与评估、微波遥感、雷达目标与环境特性、电磁成像算法与图像理解的相关科研工作人员阅读，也可作为高等学校相关专业研究生的教学参考用书。

内容提要

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《海面目标雷达散射特性与电磁成像》共七章，详细阐述了海面的几何建模、海面的电磁散射建模、海面的电磁散射动态特性分析、海面目标的复合电磁散射特性、动态海面上运动舰船目标的电磁散射特性与多普勒谱分析、波浪破碎和船首波复合电磁散射模型和海面及其上方舰船复合的SAR仿真等内容。《海面目标雷达散射特性与电磁成像》力求做到详细描述实际动态海面上舰船等目标全尺寸高频电磁散射的新模型和SAR成像仿真算法，将海面目标雷达散射特性和SAR成像中的新概念、新模型、新算法介绍给读者，使读者能够通过《海面目标雷达散射特性与电磁成像》的学习掌握海面环境雷达目标特性和SAR成像的本质，灵活解决实际工程问题。

目录

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作者介绍

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文摘

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'章海面几何建模
准确描述海面的几何特征和统计特性是基于计算电磁学研究海面目标雷达散射特性的重要基石，由于海浪的复杂性和时变特性，基于动态海面的仿真成为具有挑战性的难点。在实际中，海浪通常是水-气界面的波动运动的表现，在风力驱动作用下产生和成长，并在重力作用下于海面上自由传播。风作用于波浪称为风浪，当风与浪的作用相对减弱，即风浪位于风区外部时，受惯性和重力的作用，波浪继续保持运动，而被称为涌浪。在通常情况下，人们所指的海浪就是风浪和涌浪［1］。风浪直接受风力作用，波形极不规则，传播方向也不断变化。海面的风速和风向都是随时间和空间位置变化的，带有很强的性，海浪既然大都由风产生，势必反映出这种特点，因此外观上看通常是杂乱无章的，其波高、波长和周期等物理量都可视为量。因此，统计方法就成为分析海面结构和传播特性的必要手段。长期以来人们利用风或造波机在水槽中模拟海浪，但其缺点是无法描述海浪的细节成分并且成本代价过高。近年来由于计算机及其硬件设备的迅猛发展，数值模拟进行海面几何建模具有费用低，且特别适用于复杂过程等优点，日益成为研究海浪理论及其应用问题的有力工具。
本章首先对海谱的相应知识进行了介绍，在此基础上，采用目前主流的建模方法进行多种类型海面的空间几何建模，实现对海面几何构造较为的刻画，以满足针对不同类型海面几何场景的理论研究需要。几种方法各有特色，可以根据实际需要酌情选用适合的建模方法。
1.1海谱
在对动态海面的特性进行统计描述的过程中，海谱是重要且基本的物理量。海谱定义为海面起伏高度相关函数的傅里叶变换(Fourier transform)，是构成海浪的各谐波分量相对于空间频率和方位分布的直接反映，是描述粗糙海面基本的二阶统计量，因此又可称为功率谱。对于二维海面，风向的因素会使海谱呈现出各向异性，而方向谱的引入则可以将这种各向异性的特点在建模过程中良好地体现出来。
二维海谱通常可以表示为
其中，Ψ(k)表示全向海谱，也称为一维谱;Φ(kx，ky)为角度分布函数，也被称为方向谱。
二维海谱的表示形式有S(k，φ)，S(ω，φ)和S(kx，ky)三种，其中k为海浪波数;kx和ky分别为k沿x方向和y方向上的分量;ω为海浪的空间角频率;φ为海面上方风向和观察方向之间的夹角。
kx=kcosφ，ky=ksinφ(1-2)
若考虑构成波浪的重力波长波成分和张力波短波成分并忽略波浪之间的非线性相互作用，k和ω可以通过色散关系进行转换，即ω2=gk(1+k2/k2m)(1-3)
其中，k2m=gρ/τ；g是重力加速度；ρ(kg/m3)为海水密度；τ(N/m)为海面张力。
km的计算值一般为363rad/m。从式(1-3)可知，对于海浪成分中的重力波部分，ω2≈gk，主要由重力决定；对于毛细波部分，ω2≈gk3/k2m，式(1-3)主要由表面张力决定。
基于统计理论，对上述功率谱密度的积分即可代表相应海况下海浪的能量，所以在相同海况下，不同表示形式的海谱对应统一相等的能量，因此上述三种海谱表示形式可以有如下转换关系，即
从20世纪50年代至今，外众多学者提出一系列海谱模型，包括功率谱和角度分布函数，在此不一一赘述，只给出几种在工程领域和实际应用过程中较常用的海谱模型。
1.1.1功率谱
1. PM谱
20世纪60年代，Pierson和Moscowitz对北大西洋的观测风浪记录进行了谱估计及后续的分析总结，于1964年给出了Pierson-Moscowitz谱，简称PM谱［2］，即
其中，α=8.1×10-3；β=0.74；ω表示海浪的空间频率；Ψ(ω)为海谱值；g=9.81m/s2为重力加速度；U19.5为海面上方19.5m高度处的平均风速，单位为m/s。利用式(1-3)的色散关系和式(1-4)的转换关系式，可以得到对应的自变量为波数k表示的PM谱，即
基于统计学原理，海面高度起伏的均方根高度可以通过对海谱进行积分得到，即δ
相关长度为l=3πU219.58gπ2β≈0.175U219.5(1-8)海洋学上常用到的有效波高也可以近似得到，即
由于PM谱能量集中在较小的波数或频率范围内，为单峰谱，所以可对谱函数求导，令导数为零得到谱取峰值时所对应的波数或圆频率，即
对应的谱峰值为
通过计算可以得到生成海浪的主波长，即
下面通过图示来了解PM谱的谱特性。
图1.1和图1.2分别给出了不同风速下的PM谱随波数及圆频率的变化分布情况。可以发现：PM谱是单峰窄带谱，能量分布在相对集中的频段，风速越高，能量越集中，谱峰越尖锐；风速越大，谱线下对应的面积，即海浪能量越大，而且谱峰位置向低频移动。这些现象反映出随着风速的增加，海浪中的长波成分不断成长，而这些波长较长的波浪成分也承载着主要的海浪能量。
图1.1不同风速下的PM波数谱
图1.2不同风速下的PM频率谱
PM谱是充分成长状态的稳态海浪频谱，虽然它是由观测数据得到的经验谱形式，但是符合傅里叶谱的定义。由于其数据基础好，数学形式简单，便于分析处理，也使得自20世纪60年代以来，PM谱在海浪研究等相关工程领域得到长时间的广泛应用，并被国际船模试验池会议(ITTC)推荐为标准，充分发展稳态海谱。
2. JONSWAP谱
不同于PM谱，JONSWAP谱是在德、英、美、荷等国相关组织于20世纪60年代末期进行的联合北海波浪计划(Joint North Sea Wave Project，JONSWAP)系统测量基础上提出的，该观测计划也是迄今为止对海浪为系统的观测。由测量记录估计了2500个谱，利用这些在不同风速和风区下测得的谱数据经过统计分析和拟合，由此得到JONSWAP非稳态海谱模型［3］，它被认为是国际标准海洋谱，即
其中，g为重力加速度；ω0为峰频率；γ=YJmax/YPMmax为峰升高因子；YJmax为谱峰值；YPMmax为PM谱的峰值(γ的观测值可在1.5至6之间浮动，均值为3.3)；σ称为峰形参数。
尺度系数α=0.076-0.22，无因次风区=gX/U210，X为风区，U10为海面上方10m高度处的平均风速。
与PM谱相比，JONSWAP谱是受限于风区状态的非稳态海浪谱，α、ω0和γ等的取值均与风速和风区有关。相关研究表明［4］，随着α和γ取值的不同，式(1-13)可对应为不同类型风浪的谱函数，如α=0.01，γ=3.3对应非充分发展JONSWAP谱；α=0.0081，γ=1对应充分发展海浪谱(退化为PM谱形式)；α=(4，2，1，0.25)×10-3，γ=10对应不同能量级的涌浪谱。
图1.3给出了JONSWAP谱随风速变化的成长过程，风区为40km。图1.4给出了JONSWAP谱相对于风区的成长过程，风速为8m/s。不难发现，风速对JONSWAP谱的影响同对PM谱的影响类似。随着风速的增长，谱峰位置向低频移动。在相同风速下，风区的扩大使得JONSWAP谱谱线下的面积有所增加，即海浪能量明显增强。
图1.3不同风速下的JONSWAP谱
图1.4不同风区下的JONSWAP谱
研究表明，即使在飓风条件下，JONSWAP谱仍适用，但谱中的个别参量与风速和风区的关系要进行相应的改变。相较于PM谱（只能在风速小于20m/s情况下使用），JONSWAP谱更具有优势，因此对工程应用问题更具实际意义。
3. Elfouhaily谱
相较于PM谱和JONSWAP谱等，Elfouhaily谱可以称为比较年轻的海谱，是Elfouhaily等对PM谱、JONSWAP谱和Philips谱等海谱进行修正和融合之后提出的一种统一海谱模型。该谱于1997年基于水池实验测量数据提出，与遥感数据无关［5］。作为全波数谱，Elfouhaily谱由低频部分(重力波)和高频部分(张力波)组成，可以表示为
其中，Bl为长波(重力波)曲率谱;Bh为高频张力波曲率谱。
其中，c(k)=g(1+k2/k2m)/k为波的相速度；km=363rad/m；kp=gΩ2/U210为谱峰值所对应的波数；αp=6×10-3Ω，逆波龄Ω=U10/c(kp)为Elfouhaily谱中反映波浪成长状态的参数，是风速与谱峰处相速度的函数。对于重力波，波龄对于更好地描述海面是必需的，即Fp=LPMJpexp-Ω(k/kp)1/2-1/10(1-17)
LPM为PM谱形参数
为峰增强因子高频张力波曲率谱Bh为
其中，uf(cm/s)为摩擦风速，同海面上方zm高度处的风速Uz(cm/s)有如下换算关系，即
图1.5给出了Elfouhaily谱的低频部分k-3Bl和高频部分k-3Bh，以及总谱和相应的曲率谱随风速变化的情况。可以看出，随着风速增大，无论Elfouhaily谱的低频部分还是高频部分，谱峰值都往低频方向移动。但低频部分k-3Bl在低波数频域内受风速的影响较明显，张力波部分对应的能量增加并不明显；高频部分k-3Bh在全波数范围内受风速的影响都比较明显，谱能量的增加在重力波部分和张力波部分都比较显著。这些特点与前述的海谱有所不同，反映出Elfouhaily谱对波浪的低频和高频成分的描述更加细致有效。图1.5(d)所示为曲率谱随风速的变化，曲率谱峰值随风速增大而增长。值得注意的是三种风速情况下，二级重力波-毛细波峰均位于波数值km处。这是由于风和波长更长的波浪对重力波-毛细波进行的水动力学和空气动力学调制在小相速度处才会产生大的影响，而小相速度所对应的波数为km。
图1.5不同风速下的Elfouhaily谱
1.1.2角度分布函数
角度分布函数反映海浪不同方向、频率的组成波相对于风向的能量变化。迄今已提出的角度分布函数远较全向谱少，主要原因为其观测方法和数据处理相对困难。这里分别介绍三种常用的角度分布函数。
Longuet-Higgins等［6］曾提出被广泛使用的单边余弦形式，即
其中 (1-27)
式中，Δ(k)称为逆侧风比例因子，Mitsuyasu［7］、Donelan［8］、Fung［9］等均给出了不同的形式，一般与风速和波浪相速度有关。
为方便，这里我们选用Elfouhaily给出的表达形式，详见式(1-31)。
对应JONSWAP谱，Brüning等［4］提出如下双边角度分布函数，即
其中，为伽马函数，指数p定义为
式中，pm=11.5U19.5/c(km)-2.5。针对Elfouhaily谱，Elfouhaily也给出了双边函数形式，其表达式为
其中
图1.6给出了对应式(1-25)、式(1-28)和式(1-30)的角度分布函数。可以看出，虽然这三种分布函数均不能反映顺风和逆风两种情况下的差异性，但图1.6(a)所
图1.6不同形式的角度分布函数（k=0.3，x=30km，U10=5m/s）
示的单边谱形式滤除了与主波能量传播方向相反方向的大部分贡献，从而允许被用来模拟顺逆风两种方向传播的海面。虽然单边谱形式仍然不能反映顺逆风方向传播波成分的能量差异，但这种形式更加适合用来模拟具有确定海浪方向的海面。因此，这种单边谱形式在工程上也被广泛采用，如造波池设计［10］、船舶耐波特性分析［11］等。
1.2双叠加模型
由Longuet-Higgins波浪理论可知，平稳海况下的海浪可以被视为各态历经的平稳过程。在某个固定时刻，海面上某个固定方位点的波动水面瞬时高度由多个振幅、频率和初始相位均不相等的余弦波叠加而成。尽管这种简单叠加近似的海面模型不能反映真实海面中长波与短波的相互作用，但是相关研究人员通过观察分析认为，在数值计算和物理实验中该模型是可行的［12］。以一维海面为例，根据双叠加模型，假定某时刻t，海上一个固定点的水面波动可以用多个余弦波叠加来描述，并假定只在平面内产生波浪，且波浪沿固定方向传播，则海面上某一点的高度起伏z=h(x，t)可表示为
其中，x和t分别表示海面上离散点位置和时间；h(x，t)为相应的水面波动瞬时高度；ai为第i个组成波的振幅，即
式中，ωi、ki和εi分别为第i个组成波的圆频率、波数和初始相位，此处εi取为0～2π的变量。
为了能够产生平面上多个方向的子波'

序言

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《深海之眼：海洋观测技术前沿》 内容简介： 本书致力于探讨当前及未来海洋观测技术的发展脉络与创新前沿，旨在为海洋科学研究、海洋资源开发、海洋环境保护以及国家海洋安全等领域提供坚实的理论基础和技术支撑。内容涵盖了从传统的海洋学观测方法到新兴的遥感、声学、原位观测以及智能化、网络化观测体系的构建，力求全面展现人类探索和理解浩瀚海洋的最新进展。 第一部分：海洋观测的基石——传统与现代方法 海洋物理观测： 详细阐述了浮标系统（如 Argo 计划）、水文剖面仪、CTD（电导率、温度、深度）探测器、ADCP（声学多普勒流速剖面仪）等在测量海流、温度、盐度、密度等关键海洋物理参数方面的原理、应用和数据处理方法。探讨了这些观测数据如何揭示海洋环流、热量输送、海浪等现象，及其在气候变化研究中的重要作用。 海洋化学观测： 聚焦于溶解氧、pH值、营养盐（硝酸盐、磷酸盐、硅酸盐）、溶解无机碳（DIC）、痕量金属等化学成分的现场采集与分析技术。深入剖析了这些参数在海洋生物地球化学循环、海洋酸化、富营养化等过程中的关键地位，以及监测技术的发展如何支持对海洋生态系统健康的评估。 海洋生物观测： 介绍了网具、浮游生物采集器、微生物采样技术、声学遥感（如鱼群探测）等用于研究海洋生物群落结构、生物量分布、种群动态的方法。探讨了 DNA 条形码、环境 DNA (eDNA) 等新兴技术在海洋生物多样性监测中的潜力，以及它们如何帮助我们理解海洋食物网和生态系统的复杂性。 海洋地质与地球物理观测： 涵盖了海底地形地貌测绘（如多波束测深）、浅层地层剖面探测、地震勘探、重力与磁力测量等技术。重点阐述了这些技术如何揭示海底构造、沉积环境、热液活动以及地质灾害（如海底滑坡）的分布与成因，为海洋资源勘探和海洋工程提供基础数据。 第二部分：无接触的视角——海洋遥感技术 卫星海洋学： 详细介绍了利用遥感卫星（如 Sentinel、Aqua、Terra、Jason 系列）监测海洋的原理与应用。重点阐述了可见光、红外、微波等不同谱段的遥感数据在测量海表温度（SST）、叶绿素浓度、海面高度、海风、海冰、海雾等参数上的优势和局限性。讨论了多源卫星数据的融合应用，以及它们在海洋动力学、海洋生产力、海洋灾害监测（如赤潮、溢油）等方面的贡献。 航空遥感： 探讨了飞机、无人机（UAV）等平台搭载的遥感设备在海洋观测中的作用。重点介绍了高分辨率可见光、多光谱、高光谱成像仪在精细尺度海洋环境监测（如近岸水质、珊瑚礁生态、海洋垃圾）中的应用，以及它们如何弥补卫星遥感的空间分辨率不足。 雷达海洋学： 这一章节重点关注利用合成孔径雷达（SAR）等雷达技术进行海洋观测。阐述了 SAR 如何通过其全天候、全天时的成像能力，监测海面状态，识别和跟踪海洋目标。详细分析了 SAR 测量海面粗糙度、风场、海浪、洋流、以及探测油污、船只、海冰等信息的工作原理。深入探讨了海面粗糙度与雷达后向散射系数之间的关系，以及如何利用这些关系推断海洋环境参数。同时，也讨论了 SAR 在海洋搜索与救援、海上交通管理、渔业监管等实际应用中的价值。 第三部分：深入海洋之心——声学与水下探测 海洋声学探测： 深入探讨了声波在海洋中的传播特性及其应用。详细介绍了声呐系统（包括主动声呐和被动声呐）在海洋目标探测（如潜艇、水雷、海洋生物）、海底地形测绘、海底地质调查等方面的原理与技术。分析了不同频率、不同声呐配置在不同海洋环境下的适用性。 水下探测器与机器人： 详细介绍了各种类型的水下探测平台，包括自主水下航行器（AUV）、滑翔器、水下滑翔机（Slocum Glider）、遥控潜水器（ROV）等。阐述了这些平台如何搭载各类传感器（如声学传感器、光学传感器、化学传感器），执行长时间、大范围的海洋环境监测、科学考察任务，以及在深海探测、海底资源勘探、海洋工程建设等领域的重要作用。 第四部分：智慧之眼——智能化与网络化海洋观测 海洋传感器网络： 探讨了将各类海洋传感器互联互通，构建实时、高密度海洋观测网络的技术挑战与解决方案。介绍了传感器节点的设计、通信协议、数据传输与处理方法，以及在构建“海洋物联网”方面的探索。 大数据与人工智能在海洋观测中的应用： 聚焦于如何利用大数据分析技术处理海量海洋观测数据，提取有价值的信息。详细阐述了机器学习、深度学习等人工智能技术在海洋目标识别、异常事件预警、海洋环境参数反演、海洋模型构建与优化等方面的应用前景。 海洋信息融合与可视化： 探讨了如何将来自不同平台、不同传感器的多源异构海洋观测数据进行有效融合，形成更全面、更准确的海洋态势感知。介绍了海洋信息可视化技术，如何将复杂的海洋数据直观地呈现给用户，支持决策分析。 第五部分：未来的展望与挑战 深海与极地海洋观测： 关注深海极端环境下的观测技术挑战，如高压、低温、腐蚀性等，以及在极地海域进行的特殊观测需求。 海洋观测的标准化与共享： 探讨了建立全球统一的海洋观测标准，促进数据共享，打破信息壁垒的重要性。 可持续海洋观测体系的构建： 讨论了在经济、技术、环境等多重约束下，如何构建可持续、高效的海洋观测体系，以应对日益严峻的海洋挑战。 本书的读者对象包括但不限于海洋科学、海洋工程、遥感科学、地球物理学、环境科学等相关专业的科研人员、研究生、工程师，以及对海洋观测技术感兴趣的广大读者。通过阅读本书，读者将能够系统地了解当前海洋观测技术的现状，把握未来发展趋势，并为相关领域的科学研究和技术创新提供有益的参考。

评分☆☆☆☆☆

这本书的书名让我联想到了很多有趣的场景。想象一下，在广阔无垠的海洋上，隐藏着各种各样的目标，它们或静止不动，或随波逐流。雷达就像是人类的“火眼金睛”，通过发射电磁波并接收目标返回的回波，来“看”到这些隐藏的物体。而海面本身，就是一个极为复杂的电磁散射体，它的粗糙度、海浪起伏，甚至是盐度和温度的变化，都会影响到雷达信号的传播和散射。这本书的主题——“海面目标雷达散射特性与电磁成像”，就像是在讲述一个关于“如何看透海洋迷雾，揭示水下秘密”的故事。我很好奇，究竟有哪些独特的散射机制使得不同的海面目标在雷达图像中呈现出迥异的“面孔”？又有哪些高明的成像技术，能够让我们在波涛汹涌的海面上，清晰地勾勒出目标的轮廓，甚至辨识出它们的类型和状态？这本书就像一本藏宝图，我迫不及待地想翻开它，探索其中隐藏的知识宝藏。

评分☆☆☆☆☆

我是一位海洋测绘方面的从业者，我们部门的工作离不开对海洋环境的精细监测，而雷达技术在其中扮演着至关重要的角色。海面目标，无论是自然形成的冰山、海岛，还是人工的水面舰船、海上平台，其雷达回波特性都与周围环境息息相关。我非常希望这本书能够提供一些实用的、基于实际观测数据的海面目标散射特性分析，帮助我们更好地理解不同类型海面目标的雷达回波规律，从而在测绘过程中更准确地识别和区分目标。同时，电磁成像技术的进步对于提高我们的测绘精度和效率至关重要，我期待书中能够介绍一些能够提升海面目标成像分辨率和稳定性的新方法，例如利用分布式雷达系统或者先进的信号处理技术来克服海面恶劣环境对成像的影响，为我们的工作提供更强大的技术支撑。

评分☆☆☆☆☆

这本书的装帧设计非常别致，封面采用了深邃的蓝色调，搭配泛着粼粼波光的银色字体，瞬间就能勾起我对海洋的遐想。拿到手中，纸张的质感也相当不错，厚实而富有弹性，印刷清晰，字里行间透露着一种严谨与专业。虽然我并非雷达专业的学生，但出于对海洋科学的浓厚兴趣，我被这本书的主题深深吸引。我一直对海面在不同条件下呈现出的复杂散射现象感到好奇，也对如何利用雷达技术“看穿”海面的伪装，揭示其背后的秘密充满探究欲。这本书的标题恰好击中了我的兴趣点，让我仿佛看到了一个全新的探索领域。我期待能从中了解到关于海面目标各种“隐身”或“显形”的奥秘，以及电磁波是如何与海洋环境进行一场无声的较量的。

评分☆☆☆☆☆

对于我这个在雷达信号处理领域摸爬滚打多年的工程师来说，这本书的出现无疑是一场及时雨。我们日常工作中经常会遇到海面目标检测和成像的难题，比如如何有效地区分海面杂波和真实目标，如何在复杂海况下提高成像精度，以及如何利用多源信息进行目标识别等。这些问题不仅考验着雷达系统的设计，更需要深入理解海面目标的散射机理。我特别关注书中关于“散射特性”的部分，希望能从中找到更精确的数学模型来描述海面目标的雷达回波，从而优化我们的信号处理算法。而“电磁成像”则是我期待能够获得突破性进展的领域，我渴望了解最新的成像技术，例如合成孔径雷达（SAR）在海面目标成像方面的进展，以及可能的新型成像方法，能够帮助我们获得更高分辨率、更准确的目标信息，甚至实现一些我们目前难以企及的精细化探测。

评分☆☆☆☆☆

这本书的作者张民教授，在雷达散射领域是享有盛誉的专家。我之前阅读过他的一些学术论文，对他在该领域的深刻洞察和严谨的治学态度印象深刻。因此，我对这本书充满了高度的期待。我希望这本书能够系统地梳理海面目标雷达散射特性的研究现状，从理论建模到实验验证，提供一个全面的视角。尤其是在电磁成像方面，我非常希望能看到作者结合自己多年的研究成果，提出一些创新的成像算法或处理技术，能够有效地解决海面目标成像中的难点问题，比如目标淹没在海杂波中、分辨率不足、畸变等。这本书的出版，我相信一定能为广大的研究者和工程技术人员提供宝贵的参考，推动该领域的研究迈向新的台阶。