基于微扰法指数型粗糙面电磁波透射问题研究

采用指数型粗糙面来模拟实际粗糙面,根据微扰法研究粗糙面下方介质2中的电磁散射,结合指数型粗糙面的自相关函数导出了不同极化状态下指数型粗糙面透射波散射系数的计算公式.通过数值计算得到不同极化状态下指数型粗糙面透射系数随散射角、散射方位角及入射波频率变化的曲线;讨论了粗糙面参数和入射波频率对不同极化状态透射系数的影响;得出指数型粗糙面透射系数的基本特征和随频率变化的特征.结果表明,粗糙面高度起伏均方根、相关长度和入射波频率对指数型粗糙面透射波散射系数有显著影响.这一结果对于遥感、探测等实际的雷达工程问题具有重要的参考价值.     

地表后向散射测量实验及其等效介电常数和粗糙度参数的反演

由于地物类型繁多且分布不均匀,地表粗糙度的测量存在不准确性,且地表分层、体散射机理较难准确界定.针对上述问题,将裸土和水泥路面在入射角小于66°的散射模型等效为面散射模型,联合中国电波传播研究所X波段裸土和Ku波段水泥路面的后向散射实测数据,采用遗传算法同时反演了地表的等效介电常数和等效粗糙度参数,并采用剩余实测数据对反演结果进行了验证,吻合良好.该等效面散射模型在保证裸土和水泥路面后向散射预测精度的同时,降低了模型复杂度,仅需反演面散射模型的3个等效参数(等效均方根高度、等效相关长度和等效介电常数)即可实现对复杂地表后向散射特性的快速、准确预测,具有重要的工程应用价值.     

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.     

大粗糙度表面激光散射特性实验研究

本文利用激光散射自动测量系统,对经喷丸处理后的钢基粗糙表面及其喷漆表面的后向激光雷达散射截面(LRCS)进行了测量。测量波长分别为λ=633nm和λ=904nm.在λ=904nm,利用粗糙面电磁散射理论的基尔霍夫方法对上述样片进行了理论计算,其中将粗糙表面视为双尺度模型,根据驻留相位法和标量近似法理论计算双尺度模型随机粗糙表面的散射强度角分布,其理论值与实验测量结果有较好的吻合。     

三类新型随机粗糙面模型的快速散射特性分析

基于表面粗糙度对雷达目标电磁散射特性的影响,为真实地模拟实际自然场境,提出了三类粗糙环境中表面粗糙度不同的新型分区域复合随机粗糙面模型.采用在同一粗糙面上使用不同均方根高度和相关长度的方法进行建模,替代了传统的单一谱函数模型.应用稀疏矩阵平面迭代/规范网格法快速计算了此三类新型随机粗糙面模型的电磁散射特性,重点分析了不同表面粗糙度模型对于环境电磁散射特性的影响,为研究、分析和探测符合实际自然环境的地形、地貌提供了理论依据.     

一维粗糙介质分形海面电磁散射的扩展边界条件法

在采用经典扩展边界条件法处理导体分形粗糙面散射的基础上,将此方法推广到了一维粗糙介质分形海面的电磁散射.通过与传统的基尔霍夫近似法计算结果进行比较,验证了本文所给的方法,分析了不同入射角,不同分维和空间波数时海面双站散射振幅角分布的特点.     

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.     

二维带限分形粗糙面电磁散射的基尔霍夫近似

本文采用二维归一化带限Weierstrass分形函数来模拟二维分形粗糙面,主要利用基尔霍夫近似研究了该粗糙面的电磁散射,给出了散射场、平均散射强度系数和散射强度方差的计算公式,通过理论分析和数值计算讨论了散射场与分维及粗糙面其他有关参量间的关系.     

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。     

二维海面上方金属目标复合散射快速算法研究

为快速获取二维海面上方金属目标的复合散射,通过改进计算分层粗糙面散射的层内波传播展开法(PILE),结合快速计算二维粗糙面散射的稀疏矩阵平面迭代与规范网格法(SMFIA/CAG),以及计算金属目标散射的基于三角屋顶(RWG)基函数的矩量法(MoM),提出了结合稀疏矩阵平面迭代及规范网格法的扩展层内波传播展开法(E-PILE+SMFIA/CAG)。引入锥形入射波以减小人为截断粗糙面所引起的边缘衍射,采用蒙特卡洛(Monte-Carlo)模拟生成具有Pierson-Moskowitz(PM)海浪谱的随机海洋粗糙面。数值分析了海面上方典型导体目标的复合双站散射系数,验证了算法的有效性与收敛性。最后,应用该算法计算了海面上方导弹目标的电磁散射,讨论了目标高度及海面上风速对复合散射系数的影响。     

不同粗糙度表面双向反射分布函数的实验研究

为了研究目标表面的激光散射特性,利用双向反射分布函数的方法,采用自行设计的双向反射分布函数测量装置对样品表面双向反射分布函数进行了实验测量研究。以BaSO4粉压制板作为漫反射标准板,通过样本比值法进行对比研究,得到了样品在不同粗糙度和不同入射角下反射光的空间分布。结果表明,粗糙度越小,样品表面镜像反射的双向反射分布函数峰值就越大,镜反射现象越明显;入射角度越小,样品表面镜像反射的双向反射分布函数峰值就越小,呈现出一定的漫反射特征;反之亦然。反映出不同粗糙度表面对激光散射程度不同。     

典型粗糙表面激光后向散射特性实验

对现有的粗糙度比较样块和其他典型粗糙目标进行了后向光散射特性的实验。实验结果表明,当入射光为632.8 nm波长时,随着入射角的增大,不同的被测目标的散射强度变化得比较明显。如果被测目标的表面斜率均方根比较接近,可以发现它们整体的散射光强度变化趋势几乎一样,而且它们的偏振度也相差不大。表面斜率很小的被测目标,相对其他被测目标,其散射光光强明显大很多,其偏振度也是最大的,说明相对光滑的表面探测到的后向散射光强度比相对粗糙表面探测到的散射光强度大得多。文中关于典型粗糙表面后向散射偏振特性的研究结果对于探讨进行目标识别的理论及应用方面有一定的价值。     

粗糙铜表面对低频太赫兹波的散射实验

搭建了以0.2 THz返波管振荡器源、热释电探测器、小型自动旋转光学平台等组成的太赫兹波目标散射特性实验测试系统,对两种不同粗糙度铜盘表面的散射特性进行了测试,表明:太赫兹金属粗糙目标散射中导体表面的感应电流产生电磁散射和粗糙导体表面引起的朗伯散射是同时存在的;在斜入射时这种近似于朗伯体的金属粗糙表面几乎可以被看成镜体,但随着目标表面的粗糙度变大,反射变弱,散射增强,主峰向小于反射角的方向偏移;在垂直入射的情况下,散射角小于40度时散射曲线下降较快,超过40度散射曲线变化变得很缓慢,但在50度附近很多材料都会出现一个小的散射峰.     

单层二氧化钛薄膜的偏振散射特性

为了用散射法研究单层薄膜表面粗糙度的变化规律,以光学薄膜矢量光散射理论为基础,分析了单层二氧化钛薄膜分别在完全相关和完全非相关模型下的偏振双向反射分布函数,以及P偏振入射光引起的P偏振的BRDFpp随散射方位角的变化关系。理论研究结果表明:随着散射方位角的变化,P偏振入射光引起的P偏振的BRDFpp强烈依赖于膜层界面粗糙度的相关特性。在完全相关模型下,随着入射角的增加,BRDFpp随着散射方位角变化时所出现的谷值会随着入射角的增加而减小。     

海浪光散射特性的理论研究

用随机镜面模型建立分析海浪光散射特性的理论方法。计算了太阳光照射下不同海况海浪散射的空间分布变化趋势，表明随着海面均方根斜率增大，散射分布半峰宽度不断增大。     

超辐射发光二极管的散斑自相关法表面粗糙度测量研究

利用相干或部分相干光被粗糙表面散射产生的散斑现象进行表面粗糙度测量是一类有应用前景的在线测量技术。研究了窄带连续谱光束被随机粗糙表面散射形成的远场散射光场的散斑延长效应和将其应用于表面粗糙度测量的可行性。理论和模拟研究表明:随着观测点逐渐远离散射光场中心,散斑延长率越来越大;在相同的观测位置,表面的粗糙度越小,散斑延长率越大。构建以超辐射发光二极管（Superluminescent Diode,SLD）为光源的实验系统,以散斑延长率衍生的光学粗糙度指标来衡量表面粗糙度,对电火花加工的表面粗糙度对比样块进行粗糙度测量实验,结果表明光学粗糙度指标随着被测表面粗糙度的增加而单调递减。比起一组分立波长的光源,采用窄带连续谱光源的表面粗糙度测量系统有更大的测量范围。     

A theory of wave scattering from an inhomogeneous layer with an irregular interface

Bistatic wave scattering from a layer of Rayleigh scatterers with an irregular interface is investigated by combining the doubling method in volume scattering with the Kirchhoff method in rough surface scattering. Theoretical results are shown illustrating the effect of the rough interface. It is found that for scattered and incident angles near the vertical, the rough interface causes a substantial increase relative to the plane interface in both the like and cross-scattering coefficients over all azimuth angles. However, for large scattered and incident angles, the reverse is true except for azimuth angles around the specular direction. It is interesting to note that while one dominant peak of the like polarized scattering coefficient occurs along the specular direction, two dominant peaks of the cross-polarized scattering coefficient may appear symmetrically with respect to the specular direction. In backscattering, the surface roughness causes a peak to appear in both the like and cross-scattering coefficients at near vertical incidence and also a decrease of these coefficients at large incidence angles.     

钛合金粗糙表面的偏振光及变温BRDF特性

基于红外光谱椭偏仪测得钛合金TC4在298~773 K范围的光学常数,结合Monte Carlo射线跟踪法对钛合金随机粗糙表面的双向反射分布函数(BRDF)进行了研究.分析了不同表面粗糙度、入射光偏振态及温度对钛合金表面BRDF分布的影响.结果表明:偏振光入射下钛合金的BRDF分布随入射角度及表面粗糙度的变化趋势与非偏振光相同;入射平面内粗糙钛合金表面的BRDF随光源偏振态变化与光滑平板具有相同趋势;TE波入射时的BRDF反射峰值大于TM波入射;钛合金粗糙表面的BRDF镜反射峰值随温度升高有下降趋势;在所研究的温度范围内(298~773 K),峰值变化在10.2%以内,温度变化对TM波下钛合金BRDF分布特性的影响大于TE波,且在入射角度增大时影响增大.     

Bistatic specular scattering from rough dielectric surfaces

An experimental investigation was conducted to determine the nature of bistatic scattering from rough dielectric surfaces at 10 GHz. This paper focusses specifically on the dependence of coherent and incoherent scattered fields on surface roughness for the specular direction. The measurements, which were conducted for a smooth surface with ks<0.2 (where k=2π/λ and s is the RMS surface height) and for three rough surfaces with ks=0.5, 1.39, and 1.94, included observations over the range of incidence angles from 20° to 65° for both horizontal and vertical polarizations. For the coherent component, the reflectivity was found to behave in accordance with the prediction of the physical optics model, although it was observed that the Brewster angle exhibited a small negative shift with increasing roughness. The first-order solution of physical optics also provided good agreement with observations for hh-polarized incoherent scattering coefficient, but it failed to predict the behavior of the vv-polarized scattering coefficient in the angular range around the Brewster angle. A second-order solution is proposed which appears to partially address the deficiency of the physical optics model     

基于激光散斑角度相关法表面粗糙度测量

为了完成对精密机械表面粗糙度的精确测量,基于远场角度散斑强度的相关理论,采用激光散斑方法设计了表面粗糙度测量的实验光路。在实验光路中,将平面镜与待测粗糙表面固锁在一起,当转动待测粗糙表面时,平面镜与分束镜、接收屏组成了测量转动角度的光指针,提高了转动角度的测量准确度。在数据处理中,提出了基于MATLAB软件的角度散斑相关度峰值的计算方法,简化了测量步骤,提高了测量速度,进而利用相关度峰值计算求得表面粗糙度。利用设计和组建的系统对平铣表面粗糙度标准模块的表面粗糙度进行了实际测量,并对测量结果与标准样块的标称值进行比较,取得了较高的测量准确度。结果表明,此研究验证了激光散斑方法测量表面粗糙度的可行性,对进一步完善表面粗糙度的精密测量是有帮助的。