三维介质粗糙面上导体目标散射的解析-数值混合算法

推导出二维介质粗糙面与其上三维导体目标复合散射的耦合积分方程,提出目标散射的数值矩量法(Method of Moment,MoM)与粗糙面散射的基尔霍夫解析近似法(Kirchhoff Approximation,KA)相结合的混合迭代算法.理论推导表明:当目标距离粗糙面的高度满足条件时,目标的离散单元在粗糙面上任意一点的散射场满足局部平面波关系,利用粗糙面局部面元的反射和透射关系,得出粗糙面感应场的KA解析计算式.由于粗糙表面的感应场用KA解析计算,只需对目标的感应电流进行一次数值积分,无需数值求解粗糙面的积分方程,节省大量的存储空间和运算时间,能在理论上十分简明、数值计算上十分有效地求解三维体目标与面目标组合的复合散射问题.讨论了目标与粗糙面相互作用的互耦迭代算法的有效性和收敛性.结合Monte-Carlo方法产生随机粗糙面样本,数值分析Gauss介质粗糙面上方的规则导体球或任意不规则六面体的散射,讨论了粗糙面的介电参数和目标几何形状等对双站散射的影响.     

高斯粗糙面与临空目标复合电磁散身寸的KH-MOM解

提出了一种求解一维粗糙面与二维无限长临空目标复合电磁散射特性的新型混合算法。混合算法只需在粗糙面上进行一次积分运算,即可用基尔霍夫-亥姆霍兹方程(KH)描述电磁波经粗糙面后的散射情况,再用矩量法(MoM)分析目标的散射问题,通过KH与MoM的混合来体现粗糙面与目标之间的耦合作用。经与不同方法的对比,验证了混合方法的正确性,体现了混合方法较数值法在求解效率上的巨大优势。计算了粗糙面与临空目标的统计复合散射特性,分析了粗糙面的起伏参数、临空目标的形状以及粗糙面介质的电参数对复合散射特性的影响。     

粗糙表面电磁散射系数数字方法分析与比较

回顾了随机粗糙表面电磁散射特性计算方法的特点,分析对比了各类积分方程法和微分方程法的核心算法,着重讨论了矩阵分裂算法的计算效率,以及时域有限差分法求解色散粗糙面宽带散射特性的有关问题,指出了粗糙表面散射系数的计算和选择方法。     

粗糙面下方金属目标复合电磁散射的快速算法

为快速有效计算粗糙面下金属目标的复合电磁散射,提出了一种基于前后向迭代算法(FBM)和共轭梯度(CG)法的快速互耦迭代算(CCIA).首先建立目标与粗糙面的耦合积分方程组,并采用矩量法将其离散为矩阵方程.其次针对得到的耦合积分方程,用FBM求解粗糙面表面电流分布,用CG法求解目标表面电流分布,目标和粗糙面的相互作用通过更新两方程的激励项完成.最后,计算了高斯粗糙面下方无限长金属圆柱目标的复合电磁散射系数,当目标尺寸趋于零或目标深度趋于无穷时的结果与单独介质粗糙面相一致,验证了该数值方法的正确性;同时,讨论了不同粗糙面情况下该方法的收敛性,并分析了不同粗糙面媒质、目标尺寸和目标位置对双站散射系数的影响.     

复杂陆地粗糙面及其上方坦克目标复合散射研究

研究了复杂陆地粗糙面及其上方坦克目标的复合散射特性.基于Monte Carlo方法,利用高斯谱函数模拟不同统计特性的陆地表面,运用加权反正切函数滤波处理以构造边界和连接相邻区域,构建了复杂陆地分区域复合粗糙面的几何模型.提出了一种快速精确求解复杂陆地粗糙面及其上方坦克目标复合散射的混合方法,利用迭代物理光学法求解目标与环境间的多次耦合,运用等效电磁流法修正棱边绕射.分析了复杂陆地粗糙面的散射特性,研究了入射角、均方根高度、相关长度和粗糙面表面结构对复合散射特性的影响.本研究为探测复杂环境上方的坦克目标提供了理论基础,数值仿真结果对雷达目标的探测与识别具有借鉴意义.     

随机粗糙面上目标散射差值计算的快速互耦迭代方法

用粗糙面上方有目标和无目标时空间散射场的差值计算的雷达散射截面,称为差场雷达散射截面.本文推导TE波入射下电场积分方程(EFIE),直接求解散射差场.本文提出目标与粗糙面之间的互耦迭代的计算方法,散射场纳入了目标与粗糙面之间复杂的相互作用,给出了迭代过程中纳入的粗糙面长度的选择.用Monte-Carlo方法,计算了P-M谱粗糙海面上方二维圆柱和方柱的散射,说明目标的几何结构对散射方向图的影响.     

高斯随机粗糙表面的电磁散射研究

本文利用数值方法研究高斯随机粗糙表面的电磁散射问题.应用矩量法研究高斯随机粗糙表面的电磁散射可以使我们获得较为精确的数值结果.但是,对于表面散射,应用矩量法时,表面未知变量的数目非常大,即使对于一维表面也需要几千个未知变量.当我们求解矩阵方程时,计算机对求解的问题有几个限制,一个是内存的限制,一个是速度的限制.为了克服内存的限制,发展了许多迭代数值算法.本文发展了一种新的数值迭代方法.利用这一方法,我们对高斯随机粗糙表面的电磁散射问题进行了研究,并与矩阵反演方法进行了比较.所得结果表明,这种新的迭代法具有很好的收敛性.     

PBTG法快速求解粗糙海面散射增强效应

针对矩量法(MOM)不能有效求解大尺度粗糙介质表面散射特性的问题,采用基于物理的双网格法(PBTG)快速计算了高斯粗糙海面的散射特性,对比了不同矩阵维数下的求解时间,研究了水平、垂直极化下粗糙海面的散射增强现象。通过与矩量法的比较,证明了PBTG法的高效性。     

基于FE-BI的介质粗糙面上方涂覆目标电磁散射特性研究

采用有限元-边界积分（finite element boundary integral,FE-BI）方法研究了介质粗糙面上方涂覆目标的复合电磁散射特性,推导了一维介质粗糙面上方二维涂覆目标电磁散射的FE-BI公式.在仿真中,采用功能强大的有限元方法模拟涂覆目标内部场,对于涂覆目标与粗糙面之间的多重耦合作用则通过边界积分方程方法进行考虑.结合Monte-Carlo方法,数值计算了介质高斯粗糙面上方涂覆圆柱目标的电磁散射,分析了涂层材料介电常数、粗糙面粗糙度以及介质粗糙面介电常数变化对复合模型双站散射系数的影响.数值结果表明,相比于传统矩量法（method of moment,MoM）,本文方法虽然在处理理想导体模型时效率略低,但可以处理MoM难以处理的复杂媒质电磁散射问题,且计算精度较高.     

快速计算一维分层粗糙面之间金属目标复合散射的互耦迭代算法

为研究一维分层介质粗糙面之间金属目标的复合电磁散射特性,该文提出了一种结合前后向迭代算法(FBM)和双共轭梯度法(Bi-CG)的快速互耦迭代算法(CCIA)。推导了分层粗糙面与金属目标的耦合边界积分方程组,采用FBM和Bi-CG分别求解分层粗糙面与目标的边界积分方程,目标和分层粗糙面的相互作用通过更新两方程的激励项来实现。计算了双层介质高斯粗糙面及无限长金属圆柱的复合电磁散射特性,当目标尺寸趋于零时与只有分层粗糙面的散射系数相吻合,验证了该算法的正确性;分析了不同粗糙面情况下该算法的收敛性;讨论了目标尺寸与位置变化对复合散射系数的影响。结果表明,金属目标的存在明显影响了分层粗糙面的散射特性。     

Monte Carlo simulation of electromagnetic scattering fromtwo-dimensional random rough surfaces

The fast multipole method fast Fourier transform (FMM-FFT) method is developed to compute the scattering of an electromagnetic wave from a two-dimensional (2-D) rough surface. The resulting algorithm computes a matrix-vector multiply in O(N log N) operations. This algorithm is shown to be more efficient than another O(N log N) algorithm, the multilevel fast multipole algorithm (MLFMA), for surfaces of small height. For surfaces with larger roughness, the MLFMA is found to be more efficient. Using the MLFMA, Monte Carlo simulations are carried out to compute the statistical properties of the electromagnetic scattering from 2-D random rough surfaces using a workstation. For the rougher surface, backscattering enhancement is clearly observable as a pronounced peak in the backscattering direction of the computed bistatic scattering coefficient. For the smoother surface, the Monte Carlo results compare well with the results of the approximate Kirchhoff theory     

粗糙地面与下方梯形目标复合电磁散射研究

利用MonteCarlo方法模拟了一维指数型粗糙地面,运用矩量法研究了粗糙地面与下方梯形截面导体柱的复合电磁散射特性,通过数值计算得到了复合散射系数随散射角的变化曲线,讨论了粗糙地面高度起伏均方根、土壤湿度、柱体埋藏深度、柱体大小、柱体倾角与复合散射系数依赖关系。结果表明粗糙面高度起伏均方根、土壤湿度对复合散射系数有显著影响,而柱体埋藏深度、柱体大小、柱体倾角对复合散射系数的影响较小。     

一维指数型导体粗糙面与其上方矩形截面柱的复合电磁散射研究

采用Monte Carlo方法模拟了一维指数型导体粗糙面,运用矩量法研究了一维指数型导体粗糙面与其上方矩形截面柱的复合电磁散射。通过数值计算得到了复合散射系数随散射角和入射波频率的变化曲线,讨论了粗糙面高度起伏均方根、相关长度、矩形截面中心距粗糙面的高度、矩形截面长、矩形截面宽、入射波频率对散射系数的影响,得出了一维指数型粗糙面与其上方矩形截面柱的复合电磁散射特征。结果表明,粗糙面高度起伏均方根、相关长度、矩形截面中心距粗糙面的高度、矩形截面长、矩形截面宽、入射波频率对复合散射系数的影响是比较复杂的。     

海洋激光雷达接收信号的Monte Carlo计算

在传统的半解析ＭｏｎｔｅＣａｒｌｏ方法的基础上作了进一步改进,用扭曲的Ｈｅｎｙｅｙ－Ｇｒｅｅｎｓｔｅｉｎ函数（Ｈ－Ｇ函数）来表示散射相位函数,并由Ｈ－Ｇ函数直接得出散射角θ的表达式。计算结果表明,用此方法对海洋激光雷达接收信号的模拟与实验结果十分吻合     

Monte Carlo simulation for millimeter wave propagation and scattering in rain medium

As the operating frequencies of communications systems more higher into the millimeter wave range, the effects of multiple scattering in precipitation media become more significant. This paper treats the problems of electromagnetic multiple scattering in rain medium by the Monte Carlo method. The em wave is regarded as a Markov chain of photon collisions in a medium in which it is scattered and absorbed. For the sake of simplicity, the polarization is not taken into account, the above mentioned problems are described by the scale integro-diffierential equation of transfer. When the plane wave through a random medium with particle size distribution, the technique of weighted average is used to characterize the radiation intensity, including average scattering, absorption coefficients and phase function. The Monte Carlo simulation algorithms are done for the rain attenuation and reflectance at millimeter wavelength region. Our computational results are in good agreement with experimental data of rain attenuation.     

A Monte Carlo method for radar backscatter from a half-space randommedium

The problem of electromagnetic multiple scattering in a random medium is treated by a Monte Carlo method, in which an incident beam of photons is progressively scattered by scattering centers in the medium. The theory characterizes each scattering by functions describing the probability of the photon being scattered or absorbed, and the probability of its being scattered into certain directions. This process is tracked until the photon is finally absorbed or backscattered into the receiver. Variance reduction techniques are introduced to reduce the computation time required for acceptable ensemble averages of the backscattering cross sections. Ellipsoidal dielectric scatterers are used to model circular disk-shaped leaves, elliptical disk-shaped leaves, and needle-shaped leaves, which are randomly distributed in a half-space medium. The Monte Carlo simulations give good comparison with experimental data of backscattering cross sections from fields of wheat, corn, and milo     

非均匀植被地表散射的Monte Carlo数值模拟与实验观测

用Monte Carlo方法数值模拟电磁波在非均匀植被地表和目标的多次散射,得到随散射计空间移动观测下进而均匀植被地表的散射模拟结果,并与X波段散射计辐射计组合系统的观测试验的测量结果作了对比。     

逆正向蒙特卡罗方法及应用

在打破传统蒙特卡罗方法在光线跟踪计算时各个子过程连贯性的基础上, 发展了灵活的逆正向蒙特卡罗法, 进而利用该方法研究了介质的矢量辐射传输问题。通过建立一维梯度折射率半透明介质模型, 模拟了大气层折射率 分布, 得到了考虑偏振时介质自身的 Stokes 矢量。研究结果表明, 梯度折射率介质不同表面的发射率存在一定的区别, 散射性介质在考虑偏振时表面发射率的结果与标量方法存在一定的差异。逆正向蒙特卡罗方法可用以解决矢量辐射 传输这类复杂问题。     

多次散射激光雷达接收信号的模拟

MonteCarlo方法模拟多次散射激光雷达接收信号是一种经典方法，但这种方法的最大缺点是计算时间很长．为提高计算效率，本文在传统的半解析MonteCarlo方法的基础上，使用Henyey－Greenstein函数的修正公式来表示散射相位函数，计算出每个散射点处光子不发生进一步散射而直接到达接收机的概率．模拟结果显示，一、二、三次散射起主要作用，但随着海水衰减系数和接收机视场角的增大，高次散射对激光雷达的接收信号的作用也越来越强．