三維復(fù)雜粗糙海面電磁散射建模研究與特性分析.pdf

1、隨機(jī)粗糙海面的電磁散射研究在海洋微波遙感、雷達(dá)制導(dǎo)與截獲、目標(biāo)識別與特征提取等領(lǐng)域具有重要的理論意義和廣泛的應(yīng)用前景。如何精確有效地分析三維介質(zhì)粗糙海面的電磁散射特性一直是實(shí)際工程應(yīng)用中關(guān)注的問題。本文研究了粗糙海面電磁散射的特殊性和相應(yīng)處理手段，分別采用近似方法、數(shù)值方法和混合方法對粗糙海面散射及其與目標(biāo)復(fù)合散射的相關(guān)問題開展了系統(tǒng)的研究。本文的主要研究內(nèi)容如下：
　　1.闡述了海面電磁散射的基本理論和關(guān)鍵問題。從雷達(dá)方程出發(fā)，

2、分析了擴(kuò)展型粗糙面電磁散射表征方法和二維錐形入射波的參數(shù)選取方法；根據(jù) Debye公式描述了海水的媒質(zhì)特性與頻率、溫度、鹽濃度等因素的關(guān)系；最后，給出了典型海浪幾何模型，包括：風(fēng)場海浪、內(nèi)波以及破（碎）波。
　　2.研究了局部前后向迭代物理光學(xué)法及其加速技術(shù)在海面散射中的應(yīng)用。從頻域角度出發(fā)，將物理光學(xué)法（PO）應(yīng)用于頻域電磁場積分方程方法中，計(jì)算了相對平坦粗糙海面的散射特性。為了處理復(fù)雜粗糙面的電磁散射問題，引入了迭代物理光學(xué)法

3、（IPO）來計(jì)算海面面元間的電磁耦合作用。算例表明，在計(jì)算內(nèi)存不明顯增加的前提下，該方法能有效提高復(fù)雜海面的電磁仿真精度。同時，為了加速迭代物理光學(xué)法中迭代收斂過程，提出了帶有松弛因子的前后向迭代物理光學(xué)法（FBIPO），并且在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了快速遠(yuǎn)場近似技術(shù)及局部耦合迭代技術(shù)，從而顯著降低了計(jì)算復(fù)雜度，進(jìn)一步提高計(jì)算效率。最后，利用上述方法分析了不同粗糙度、不同介電常數(shù)等因素對海面散射的影響。
　　3.研究了多層快速多極子方法（

4、MLFMA）在海面散射中的應(yīng)用。介紹了MLFMA的實(shí)現(xiàn)框架；推導(dǎo)了基于阻抗邊界條件（IBC）下的聚合量與配置量；研究了 MLFMA在海面散射中的處理方法，包括：海面的截?cái)鄥?shù)選取；邊界效應(yīng)抑制處理方法等。并且根據(jù)海面散射的特點(diǎn)，提出了多種優(yōu)化技術(shù)，包括：階數(shù)可調(diào)的高階疊層矢量基函數(shù)來減小計(jì)算未知量；稀疏近似逆預(yù)條件技術(shù)加速阻抗矩陣的迭代收斂過程；三維 FFT加速分組間的轉(zhuǎn)移量等，從而有效地解決電大尺寸的海面散射計(jì)算問題。最后，采用 ML

5、FMA計(jì)算了低掠角入射下演進(jìn)破波的散射特性，從散射機(jī)理上分析了雷達(dá)回波的海尖峰（Sea Spike）現(xiàn)象以及頻譜展寬現(xiàn)象。該方向上的研究能夠?yàn)閺?fù)雜三維海面電磁散射仿真提供重要的數(shù)據(jù)參考。
　　4.提出了雙迭代混合方法來處理海背景下的目標(biāo)散射問題。結(jié)合近似方法與數(shù)值方法各自的優(yōu)點(diǎn)，采用PO/FBIPO和MLFMA分別計(jì)算粗糙面、目標(biāo)體的復(fù)合散射，然后通過迭代耦合模型計(jì)算兩者之間的電磁耦合作用。分別針對簡單粗糙海面和復(fù)雜粗糙海面，研究

6、了基于各自不同散射特性下的海面幾何面積選取規(guī)則以及對應(yīng)的不同電磁仿真方法，從而有效地減小了計(jì)算代價(jià)。并且采用快速遠(yuǎn)場近似技術(shù)來加速目標(biāo)與海面間的電磁耦合過程，提高計(jì)算迭代效率。
　　5.根據(jù)準(zhǔn)靜態(tài)方法，仿真了不同動態(tài)海面變化過程中的雷達(dá)時域回波信號，然后采用周期圖法分析了簡單動態(tài)海面的多普勒頻移以及 Bragg散射，再現(xiàn)了實(shí)際雷達(dá)工程中的散射現(xiàn)象。
　　本文對海面電磁散射多種電磁仿真方法進(jìn)行了深入研究，并在三維海面散射的仿真