分层粗糙面的电磁散射研究

基于矩量法（method of moment,MOM）及基尔霍夫近似（Kirchhoff approximation,KA）研究了分层粗糙面的电磁散射问题。首先,利用经典MOM求解了上层粗糙面的总场,包括直接入射场及由其激发的直接散射场。然后,将锥形入射波引入到传统KA中,利用其求解了分层粗糙面的透射场。数值计算并讨论了粗糙面高度起伏均方根、相关长度及分层粗糙面间距等参数对分层高斯粗糙面双站散射系数的影响。     

粗糙海面电磁散射的小斜率近似方法

利用小斜率近似方法研究了粗糙海面的电磁散射特性,推导了极坐标下小斜率近似方法的双站散射系数计算公式.基于Elfouhaily海谱模型,计算了海面的散射系数,将得到的理论计算结果和实验数据及考虑和不考虑遮蔽效应的基尔霍夫近似结果进行了对比.讨论了不同极化状态下小斜率近似方法的后向散射系数随入射波频率和风速的变化关系.结果表明,在后向散射情况下,理论计算结果和实验数据吻合很好;在双站散射情况下,在大散射角时小斜率近似的结果更为准确;无论是何种极化,后向散射系数均随入射波频率和风速的增大而增大.     

高斯粗糙面透射波散射系数的基尔霍夫驻留相位法

采用高斯粗糙面来模拟实际粗糙面,根据基尔霍夫驻留相位近似法研究了粗糙面下方介质2中的电磁散射,结合高斯粗糙面的自相关函数导出了不同极化状态下高斯粗糙面透射波散射系数计算公式。通过数值计算得到了不同极化状态下高斯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,得出了高斯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和相关长度对高斯粗糙面透射系数有显著影响,而入射波频率则对其无影响。     

高斯介质粗糙表面电磁散射的高阶基尔霍夫法

针对基尔霍夫近似(KA)求解精度的问题,提出了一种均方高度高阶级数展开的改进算法。该算法基于粗糙表面斜率的零阶展开和二阶展开近似,得到了考虑斜率效应的高阶KA的求解结果。通过阴影函数的修正有效补偿了在大入射角下散射系数计算的偏差。分析了考虑斜率效应及阴影函数时的后向增强现象,通过数值计算比较证明了该算法的有效性。     

MPI并行矩量法计算二维粗糙面波束电磁散射

通过有限脉冲响应滤波器理论和快速傅里叶变换方法,模拟了二维高斯随机粗糙面。从电场积分方程出发,利用RWG (Rao-Wilton-Glisson)基函数矩量法结合Galerkin方法,在PC集群并行平台上研究了二维导体高斯粗糙面对波束的电磁散射特性。为使得PC集群信息传递接口(message passing interface, MPI) 并行平台上各参与运算的各进程的负载平衡,对整个阻抗矩阵按行分块,并详细讨论了并行共轭梯度法求解矩量法矩阵方程的并行实现过程。最后在PC集群MPI并行平台上进行数值实验,分析了在波束入射条件下,均方根高度、相关长度和极化方式对二维导体高斯粗糙面的电磁散射特性的影响。     

二维纹理特征指数谱粗糙面的极化散射

研究了具有纹理特征的二维指数谱粗糙面的极化散射特性。在两个方向上相关长度的比值足够大时指数谱粗糙面表现为条纹特征,而在比值接近为一时又表现为方格特征。这两种视觉特征又可以通过傅里叶变化旋转得到不同的纹理角效果。通过粗糙面的小面元积分,推导出椭圆极化入射时笛卡尔坐标系下的散射场,并得到了不同纹理特征指数谱粗糙面的极化散射。结果显示极化散射特性的研究对利用遥感信息提取粗糙面的纹理特征具有重要意义。     

地海交界分区域复合粗糙面建模及电磁散射特性研究

研究了地海交界分区域复合粗糙面的建模方法及其电磁散射特性。采用蒙特卡罗方法建立地海交界分区域复合粗糙面模型,采用高斯谱模拟实际地面,采用变浅系数与北海联合海浪计划(joint north sea wave project, JONSWAP)谱结合而成的有限水深海谱模拟实际近海海面,基于分区域复合粗糙面建模理论,运用多种加权反正切函数处理实现了线型、月牙型、峡谷型自然环境。考虑了各介质区域内部的面元耦合以及区域之间和交界处面元的耦合作用,对地海交界分区域复合粗糙面的散射问题,提出了一种基于分区域面元的迭代物理光学法,采用快速远场近似（fast far field approximation, FaFFA）与局部耦合技术加速其迭代过程。对比了陆地粗糙面、海面和地海交界分区域复合粗糙面的电磁散射特性,计算了分区域复合粗糙面的散射系数,并讨论了极化方式、入射角、边界形状、陆地粗糙面的均方根高度、相关长度和近海海面的风速对地海交界分区域复合粗糙面电磁散射特性的影响。基于迭代物理光学法所获取的分区域复合粗糙面总散射场,采用正侧视条带式成像模式,选用距离多普勒算法对不同特点的地海分区域复合粗糙面进行合〖JP2〗成孔径雷达(synthetic aperture radar, SAR)成像,并讨论了陆地粗糙面与海面各自的相对介电常数对SAR成像的影响。该研究包括了地海交界环境的建模、电磁散射特性的求解及其SAR成像,由仿真结果得到了地海交界分区域复合粗糙面的SAR像特点,对反演地海交界环境的电磁特性以及遥感、探测具有借鉴意义。     

二维浅水波方程的非结构网格TVD型有限体积法

考虑二维浅水波方程及其离散方法,对非结构三角形网格给出了TVD型有限体积法.在离散单元对物理量作单调线性重构函数,通过选择不同的数值流函数,构造了两种复合型有限体积格式;时间离散采用二阶Runge-Kutta方法.对二维溃坝问题及非平底部溃坝问题进行数值模拟,结果表明,两种方法精度高且稳定,可以处理具有任意水下地形的二维浅水波问题.     

城市场景SAR原始回波模拟方法

基于城市场景是在一随机分布的粗糙电介质地形上放置直立的若干建筑物的假设,建立多重散射模型,采用小面单元分析方法和Kirchhoff近似方法计算散射系数。回波信号模型采用二维FFT实现,最后通过对原始回波成像图形进行分析,表明了该方法的有效性。     

快速计算分层粗糙面散射的FBM/SAA算法

为快速获取分层粗糙面的电磁散射特性,提出一种结合前后向迭代算法（forward-backward method, FBM）与谱积分加速法（spectral accelerate algorithm, SAA）的快速算法（FBM/SAA）,该算法的计算量和内存均与粗糙面离散剖分产生的未知量同量级（O(N)）。建立了分层粗糙面上关于未知电流分布的电场积分方程并采用矩量法（method of moment, MoM）将其离散为矩阵方程;在用FBM对矩阵方程进行迭代求解过程中,采用SAA技术加速计算矩阵和矢量乘积以快速求解;将FBM/SAA应用于三层媒质分层粗糙面的双站散射系数的计算,计算结果与传统MoM和FBM相一致,证明了算法的有效性;分析了粗糙面参数不同情况下算法的收敛性,比较了传统MoM和FBM/SAA所耗费的CPU时间。结果表明,在计算较长分层粗糙面的散射时,FBM/SAA具有明显优势。     

基于HPP/PO的舰船与海面耦合散射快速算法

针对粗糙海面上舰船类超电大尺寸复杂目标电磁散射问题,提出了一种基于混合面元投影(HPP)和物理光学法(PO)的计算目标与海面耦合散射的快速算法。首先建立基于海谱的海面几何模型,并考虑海面面元的微粗糙特性,修正海面反射系数,然后针对目标和海面的结构特点,形成两种尺度面元混合的目标与海面模型,对电磁波在海面和目标之间的多次反射按照GO原理进行快速投影运算,并利用PO计算投影区域的散射贡献,最后给出了几组典型实例的计算结果。数值计算表明,该方法对于海面舰船类目标的散射计算是高效、准确的。     

基于微多相粒子群算法的介质粗糙面反演研究

为快速有效地求解介质粗糙面的反演问题,提出了一种能反演地表面参数的新方法--微多相粒子群算法。利用矩量法结合前后向迭代法快速求解双站散射系数。采用单纯形法实现有导向的约束初始种群的生成,以双站散射系数的测量值和理论计算值的偏差为目标函数,通过多相粒子群算法和单纯形相结合的算法对优化变量进行优化,使目标函数达到最小值实现地表参数的反演。给出了应用该方法的具体步骤,分析了测量结构,通过仿真实验验证了算法的有效性。     

二维线性与非线性海面电磁散射特性比对研究

二维线性和非线性海面模型与低阶小斜率近似（small slope approximation, SSA）法相结合,对比研究了不同海面的统计特征及其电磁散射特性。研究表明：非线性海浪比相应的线性海浪具有更尖锐的波峰和更为平坦的波谷,虽然其高度均方根保持不变,但斜率变大,且偏离高斯分布;相应地,非线性海面归一化雷达散射截面（normalized radar cross section, NRCS）在远离镜面反射方向上略高于线性海面的NRCS,其后向散射系数也有所提高,并且该差异在小擦地角下更为显著。     

复合目标电磁散射的高效混合计算方法

传统混合法在计算目标与粗糙面的耦合场时,需要耗费大量内存与时间。以计算复合目标后向电磁散射为目的,提出一种更为高效的混合计算方法。该混合法在单独处理粗糙面与目标方面与传统混合法一致,即使用基尔霍夫近似法（Kirchhoff approach,KA）处理粗糙面区域;使用矩量法（method of moment, MoM）并结合多层快速多极子（multilevel fast multipole algorithm, MLFMA）技术处理目标区域。与传统混合法所不同的是：根据大尺度粗糙面镜向散射最强的特点,只在粗糙面上截取一块很小的区域进行耦合场计算,从而极大减少内存与时间。大量数值实验表明,该方法在保证较高精度的同时,效率要远高于传统混合法。     

计算粗糙地面下方埋藏目标复合散射的E-PILE+BMIA/CAG算法

为快速获取电大尺寸随机粗糙面下方埋藏目标的电磁散射特性,基于层内波传播展开法（propagation-inside-layer-expansion, PILE）和带状矩阵迭代及规范网格法（banded matrix iterative approach canonical grid,BMIA/CAG）,提出了结合带状矩阵迭代及规范网格法的扩展层内波传播展开法（E-PILE+BMIA/CAG）。数值计算过程中,以高斯随机粗糙面模拟实际地表面,并引入锥形入射波以减小人为截断粗糙面所引起的计算误差。为验证算法的有效性和收敛性,计算了一维介质粗糙面下方埋藏无限长二维介质圆柱目标的散射特性,研究了目标与粗糙面之间的相互作用,并与已有算法结果进行比较。最后计算了大入射角情况时地面下方埋藏目标的复合散射特性。该研究成果对于目标探测等领域具有一定的理论指导价值。