双尺度方法在粗糙海面及泡沫层复合散射中的应用

给出了双尺度方法的粗糙海面散射理论。含泡沫双尺度粗糙海面的矢量辐射传输方程,以及基于双尺度方法与粗糙海面的信息得到了复合散射系数,并对不同泡沫类型下的水平和垂直角的分布和不同入射角、风速下的后向散射系数与双站散射系数进行了研究。通过结果分析,验证了该方法的有效性。     

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。     

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。     

土壤表面与置于其上组合目标复合电磁散射特性研究

为了满足置于粗糙面之上组合目标测量和检测的需要,该文分别采用Dobson半经验模型和电介质复介电常数公式表示土壤介电常数的实部和虚部,应用指数型分布粗糙面和Monte Carlo方法模拟实际的土壤表面。通过与矩量法得到的计算结果比较,验证了时域有限差分(FDTD)方法计算粗糙面与目标复合散射问题的有效性,进而运用该方法研究了土壤表面与置于其上组合目标的复合散射,得出了复合散射系数的角分布曲线。结果表明:复合散射系数随散射角振荡地变化,在镜反射方向处发生散射增强效应;土壤表面高度起伏均方根越大,复合散射系数越大;相关长度越大,复合散射系数越小;湿度越大,复合散射系数越小;组合目标尺度、介电常数、入射角对复合散射系数影响比较复杂。该文结果可用于求解地、海粗糙面与置于其上任意目标的复合电磁散射问题,与其它数值计算方法相比较,采用时域有限差分方法既可获得较高的准确性,同时又可减少计算时间和内存占用量。     

遮蔽效应对潜艇海面尾迹后向散射影响研究

分析了合成孔径雷达(SAR)探潜对随机粗糙海面特性的应用需求和随机粗糙海面的生成机理,计算了满足Gauss形态相关函数的随机粗糙海面后向散射系数,提出了高海况下考虑海浪遮蔽效应的潜艇海面兴波尾迹的后向散射计算方法。仿真结果表明,海浪遮蔽效应会使海面后向散射降低从而更接近于海面散射的真实值,且其具体降低量与海况等因素有关。     

高阶基尔霍夫法求解导体粗糙表面的散射特性

在分析粗糙表面电磁散射特性的基础上,提出了一种考虑粗糙表面协方差函数Taylor展开的高阶基尔霍夫近似(KA)法,解决了经典KA近似的大逼近误差问题.应用9阶高度的KA和传统的KA,对比研究了不同照射频率和均方根高度下的后向散射系数,并比较了遮挡函数的修正效应.同时应用高、低阶KA计算了典型粗糙面的后向散射系数,并分别与测量值和矩量法的数值解进行了比较.结果表明,9阶表面高度展开的切平面KA不仅拓宽了KA的适用条件,还具有更高的精度范围,从而证明了高阶均方根高度展开的KA近似的有效性.     

介质粗糙面与组合目标宽带电磁散射特性研究

文中对介质粗糙面和组合目标的宽带复合电磁散射特性进行研究,通过数值计算得到了复合散射系数频率响应曲线。分析结果显示,后向复合散射系数在宽频带范围内随着频率的变化而产生振荡,粗糙面的高度均方根、介电常数、组合目标尺度、目标介电常数等因素对复合散射系数有显著的影响,且影响规律较为复杂。相比之下,粗糙面的相关长度对复合散射系数的影响较为微弱。当目标是理想导体时,频率响应曲线近似呈现出准周期性的振荡形态。     

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.     

高斯介质粗糙面电磁散射的小斜率近似方法

基于小斜率近似方法推导了极坐标系下介质粗糙面的双站散射系数和后向散射系数计算公式.为验证小斜率近似方法的准确性,针对二维高斯介质粗糙面,计算了双站散射系数并将得到的数值结果与实验测量数据和基尔霍夫近似方法计算结果进行了对比分析,结果表明:小斜率近似方法的结果和实验数据吻合较好.同时对不同入射角下散射系数的角分布及粗糙度和均方根斜率对散射系数的影响进行了讨论分析.     

分层粗糙面下方介质目标散射的快速算法

为快速获取分层粗糙面与下方介质目标的复合电磁散射特性,提出了一种基于前后向迭代算法(FBM)和双共轭梯度法(Bi-CG)的快速互耦迭代算法。推导了一维分层粗糙面与下方介质目标(二维散射问题)的耦合边界积分方程组,用FBM求解分层粗糙面的表面积分方程,而用Bi-CG求解目标的表面积分方程,目标和粗糙面的相互耦合作用通过更新两方程的激励项来迭代求解。应用该算法计算了下方存在介质目标时双层介质粗糙面的双站散射系数,与传统矩量法得到的结果相吻合,验证了该算法的正确性;分析了不同极化波入射时该算法的收敛性,讨论了目标尺寸和位置变化对双站散射系数的影响。     

基于支持向量机的粗糙海面风速及海表盐度反演研究

将支持向量机(Support Vector Machine, SVM)回归技术应用到海况参数(如海表盐度、海面风速等)反演研究.利用双尺度模型(Two-Scale Model, TSM)作为前向电磁算法, 数值模拟不同雷达参数下风驱粗糙海面微波后向散射系数, 经过敏感性分析, 选取L波段(1.4 GHz)、C波段(6.8 GHz)及其合适的入射角作为雷达参数, 并设计多种反演方案, 分别以单频率双极化双角度、双频率双极化双角度及双极化后向散射系数的比值作为SVM的训练样本数据信息, 经过适当的训练, 利用SVM回归技术对海洋表面风速和盐度进行了反演研究.研究结果表明, 针对于海面风速的反演, C波段的反演精度最高, 针对于海表盐度的反演, L波段同极化散射系数比值作为SVM输入的反演精度较高.最后, 检验了SVM反演方法的抗噪声性能, 表明文中提出的SVM方法能较好地应用于实际海况参数反演问题.     

修正双尺度模型在非高斯海面散射中的应用

基于海浪在水平及垂直方向上的倾斜效应,应用修正的双尺度模型求解非高斯海面的电磁散射,在经典的一阶微扰散射系数上添加了一个附加散射系数项,它与非高斯海面的双谱函数成正比,且该项反映了海面后向散射系数在逆风和顺风向上观测结果的不对称性.在修正模型中还考虑了遮蔽函数、曲率效应等因素对散射结果的影响.最后应用修正的双尺度模型数值计算并讨论了非高斯海面后向电磁散射特性,修正模型下的计算结果与实验数据有较好的吻合.     

不同海域多波段小擦地角海面散射特性的影响因素分析

根据东南沿海和西太平洋海面温度场与盐度场卫星数据,利用双Debye模型以及含泡沫的M-G模型计算等效介电常数.分析表明:不同海域温度与盐度变化对P/L波段介电常数虚部的影响大于实部,其他频段影响略小;但介电常数对给定频率的海面散射系数影响只在0.1 dB左右,故主要影响仍来自于不同海域的海情海况.基于修正双尺度法和矢量辐射传输理论,提出了多尺度海面电磁散射的含泡沫修正双尺度方法,考虑实际海面海况与不同频率的截断波数,数值计算了不同波段(即P、L、S、X、Ku波段)频率海面后向散射系数随风速风向、波高、泡沫覆盖率、频率与极化等影响因素的变化情况,总结分析了基于多尺度海面小擦地角电磁散射机理.     

稀疏矩阵规范网格结合物理双网格分析介质海面散射特性与试验验证

采用传统数值方法计算介质粗糙海面后向电磁散射时,波束照射面积随擦地角减小急剧增大,需要消耗大量的内存和计算时间。稀疏矩阵规范网格法用快速傅里叶变换计算远区相互作用,极大地提高了计算速度,同时基于物理的双网格法,依据格林函数在介质和自由空间中随作用距离的衰减特性,采用不同分区的网格划分技术,有效减少了介质粗糙面计算所需的内存量。该文基于Monte-Carlo方法产生不同海情PM谱海面,将上述两种方法结合,数值研究了S和Ku波段后向散射特性随擦地角的变化,并与造波池海面后向电磁散射试验进行对比。试验采用连续波扫频方法测量了造波池模拟的中低海情和缩比高海情1维PM谱海面后向散射系数。计算结果与测量数据相吻合,证明了方法具有较高的效率和可行性。结果分析表明,不同海情下海表面相关长度和散射特性存在明显差异。     

碎浪在大角度对海面后向散射系数的修正模型

应用双尺度方法(Two-Scale Method,TSM)计算了海面的后向散射系数(Backscattering Coefficient,BSC).由于实测的海面散射系数在大角度与理论不相符,尤其是水平(Horizontal,HH)极化,中等尺度的碎浪模型被用来对海面散射系数进行修正.通过对不同参数的中等尺度碎浪散射系数进行统计平均,可以得到碎浪的平均散射系数.运用碎浪的覆盖率模型,将碎浪模型与海面的散射系数进行结合,得到了含碎浪的海面散射系数修正模型.结果表明,该模型在大入射角下能对HH极化有明显的修正作用,使其与实验数据更为吻合.对于垂直(Vertical,VV)极化,TSM计算的结果本身就与实验数据吻合得较好,碎浪也没有对其有明显的修正.     

自然场景SAR图像的仿真

提出了一种模拟自然场景的SAR图像的新方法。该方法用双尺度分形模型和小面单元法来模拟自然场景，利用其Kirchhoff近似求得自然场景的后向散射系数；在求回波和图像处理时采用二维FFT，大大减少了计算量。计算机仿真结果显示，该方法能很好地模拟出自然场景的speckle特征和SAR图像的几何畸变现象。     

粗糙表面电磁散射研究

研究随机粗糙表面的电磁散射问题.在用数值方法研究粗糙表面电磁散射过程中,经常遇到大型的数值计算问题,为此本文提出一种名为"前后向"(FBMethod)的迭代方法来求解大型矩阵.该种方法的主要思想是将粗糙表面每个离散单元的感应电流分为两个部分:前向贡献和后向贡献,先计算前向贡献,再迭代求解后向贡献,其特点是收敛速度快,迭代次数少.在本文中,用此算法对粗糙表面的散射进行了计算.散射计算结果与用直接反演的计算结果进行了比较,结果表明,两种方法符合很好,证明了本文所提方法的可行性.     

海面上方低空突防飞机雷达散射特性研究

为更好地研究海面上方低空突防飞机的雷达散射特性,基于迭代物理光学法（AIPO）和等效电流法（MEC）,提出了计算电大尺寸二维导体海面上方低飞目标的AIPO＋MEC算法,应用AIPO计算海面与目标之间的相互作用,用MEC计算棱边绕射。通过计算海面上金属立方体的双站散射系数,与已有数值算法结果相比较,验证了算法的正确性。用PM谱粗糙面模拟实际海面,应用该算法计算了海面上方三种典型隐身飞机模型的后向散射系数,并与自由空间中飞机模型的散射系数和平面上方飞机模型的散射系数进行了比较。结果表明,由于海面散射以及海面与飞机之间的相互作用,后向散射系数增大,且下方为海面时的散射系数角度性分布的散射比下方为平面时更为平缓。这对现代战争中海面上方低空目标探测和雷达设计具有一定的理论指导意义。     

随机粗糙海面的多路径海杂波频谱数值模拟

海杂波干扰影响雷达制导性能,对各海况物理条件下海杂波的数值模拟可用于实验室海杂波仿真、制导雷达的设计、监测性能的分析等.本文采用一种海面起伏双尺度近似模型进行多路径海杂波频谱的数值模拟,通过谱拟合模拟时变随机粗糙海面,计算收发高度和间距给定条件下海面多路径有效散射面积,计算接收点电场强度、雷达双站散射系数以及接收点功率谱密度(海杂波频谱).     

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。