Bi-Spectrum Scattering Model for Dielectric Randomly Rough Surface

The bistatic scattering model is often used for remote microwave sensing. The bi-spectrum model (BSM) for conducting surfaces was used to develop a scattering model for dielectric randomly rough surfaces to estimate their bistatic scattering coefficients. The model for dielectric rough surfaces differs from the BSM for a conducting surface by including Fresnell reflection and transmission from dielectric rough surfaces. The bistatic scattering coefficients were defined to satisfy the reciprocal theorem. Values calculated using the BSM for dielectric randomly rough surfaces compare well with those of the integral equation model (IEM) and with experimental data, showing that the BSM accuracy is acceptable and its range of validity is similar to that of IEM while the BSM expression is simpler than that of IEM。     

The EM scattering from one-dimensionally lossy fractal surfaces

The EM scattering from rough surface has been investigated in the past years. Periodic and random models are often used in modeling the rough surface. Recently, the fractal geometry is rapidly improved. It provides a new way to model the rough surface whose characteristics are long-range order and short-range disorder. In this paper, A fractal function is used to model the rough surface. A scattering coefficient for calculating the angular distribution and the amount of energy in the spectrally scattering field to the fractal characteristics of the surfaces by finding their analytical expressions is derived by using the Kirchhoff solution. In the end, we calculate some scattering patterns. Supported by the National Natural Science Foundation of China Gao Huotao: born in 1964, Graduate student     

随机粗糙表面近红外光散射特性数值研究

为了研究随机粗糙表面的近红外光散射现象,采用线性滤波法生成高斯分布随机粗糙表面,使用基于矩量法的蒙特卡罗方法计算波长为1.064μm的S和P线偏振入射光照射下的良导体和电介质表面的散射分布、散射峰值及其位置等.数值计算结果表明,良导体和电介质表面的散射特征具有显著差异.该结果对提高激光雷达目标识别能力具有重要意义.     

二维高斯随机粗糙面与其上方三维双立方体复合散射的混合算法

基于数值方法(MOM)与基尔霍夫近似(KA)相结合的混合算法计算了二维随机粗糙面与其上方三维双立方体的复合散射特性。首先建立了随机粗糙面与其上方三维双目标的复合模型,将目标划分为MOM区域,粗糙面划分为KA区域,并采用Monte-carlo方法模拟真实粗糙地面。在复合散射场的求解中,首先求出在仅有初始入射场时多目标表面的感应电流;其次,将目标表面感应电流产生的散射场与外部入射场作为KA区域的入射场,求出KA区域表面的感应电流;最后将KA区域的感应电流产生的散射场与外部入射场作为MOM区域的入射场,利用导体目标表面的狄利克莱边界条件求出目标表面电流以及电流系数,并进一步求解出散射场。通过减小了粗糙面各面元的相互耦合及体-面的高阶耦合作用,极大提升了计算速率。在大小尺寸为L_x×L_y=100λ×100λ的粗糙面与棱边长度为l=2λ的立方体目标复合计算中,使用MoM算法产生了747 886个未知量,计算时间为8 821.5s;而使用MOM-KA混合算法产生未知量为26 868个,计算时间为423.8s,仿真结果同时验证了MOM-KA混合算法的准确性。最后,详细讨论了均方根高度、目标间距、高度及立方体尺寸及对复合散射系数的影响。     

Characteristics of EM scattering on dielectric fractal surface

Conclusions In this note, the scattering field from the dielectric rough surface is investigated by using the fractal function. Parameters of the fractal function are changed to model the roughness of the surface under consideration. In this way, explicit expression of the scattering field from the rough surface in Kirchhoff approximation can be obtained and other different cases can be easily analysed. We can conclude that the fractal function is a fine tool for solving the problems of scattering from the rough surface. This note can provide the numerical bases for the inverse problems.     

二维多粗糙度分层粗糙面与上方目标复合电磁散射计算方法

研究了二维多粗糙度分层粗糙面与上方目标复合电磁散射特性的自适应迭代物理光学算法。采用Monte Carlo法并结合高斯谱函数生成高斯粗糙面,基于分区域建模方法,建立了二维多粗糙度分层粗糙面和上方目标的复合模型。利用物理光学法和等效原理,得到分层粗糙面和目标的直接感应电磁流;基于表面积分方程,分析了分层粗糙面之间以及粗糙面和目标之间的耦合电磁流迭代机理。引入感应电磁流能量改变速率,对传统迭代物理光学法进行改进,使算法自动收敛。将计算结果同多层快速多极子方法和迭代物理光学法进行比较,验证了算法的准确性和高效性。在此基础上,研究了不同目标、不同粗糙度的分层粗糙面的双站RCS计算结果和散射特性,讨论了分层粗糙面间距对双站RCS计算结果和散射特性的影响。本研究为分层环境及上方超低空突袭目标的探测、分类和识别提供了数据支撑和理论基础。     

指数型分布粗糙地面宽带后向电磁散射的FDTD研究

采用蒙特卡罗方法模拟生成指数型分布粗糙地面,运用时域有限差分方法(FDTD)研究了高斯脉冲波入射时粗糙地面的宽带电磁散射问题。通过数值计算得到不同频率响应对应的后向散射系数,分析了粗糙地面相关长度、高度起伏均方根、土壤湿度和入射角的变化对后向散射系数的影响,得到了指数型分布粗糙地面的宽带后向电磁散射特性。     

弱散射体的宽谱BRDF测量与分析

弱反射体粗糙表面具有复杂的散射现象.随着入射光天顶角的增加,这类弱反射体的光反射由方向性漫散射过渡到镜面反射,且波长不同的反射光出现不同强度的镜面反射.为了研究这个波动光学现象,使用一台宽谱全向反射计测量了两个弱反射体样品在多个可见波长的双向反射分布函数;使用一台探针式表面轮廓仪测量了样品的表面轮廓,进而获得了样品表面统计特性.一个基于波动光学的BRDF模型通过拟牛顿法优化算法逐次逼近被拟合到测量数据,准确地描述了散射光随角度和波长的变化.通过拟合结果和测量数据比较,证明基于波动光学的BRDF模型适用于解释该现象.     

Scattering from rough surfaces using the “shooting and bouncing rays” technique

The “shooting and bouncing rays” (SBR) technique is used to analyze the electromagnetic scattering characters of ocean rough surfaces varying with time. Some numerical results are presented and compared with the method of moments, and some factors, such as the incident angle, polarization and frequency are investigated which influence on electromagnetic scattering characters of ocean rough surfaces. Foundation item: Supported by the 863 High Technology Project of China (863-818-01-02) Biography: GAO Huo-tao(1964-), male, Ph. D. candidate. Research direction: electromagnetic field theory and engineering application     

粗糙地面上复杂目标的电磁散射特性

粗糙地面与复杂目标的耦合散射特性研究一直是雷达目标识别领域比较有应用价值的课题.针对粗糙地面与目标的复合电磁散射特性进行重构,包括复合模型的雷达截面积(radar cross section,RCS)特性以及合成孔径雷达(synthetic aper-ture radar,SAR)成像特性.首先,对复杂目标进行几何建模并对粗糙面进行数值建模,构建地面与目标的一体化几何模型.然后基于空间射线分集技术、射线追踪技术以及劈边结构识别算法分离出复合模型中散射中心,包括面结构和劈边结构对应的散射中心,基于属性散射中心模型正向的确定散射中心对应的各个参数,最终建立起粗糙地面上复杂目标的散射中心参数化模型.并通过对其重构的散射特性与实测结果进行对比,分析了地面与目标的耦合作用.研究对雷达目标识别领域具有很大的应用价值.     

随机粗糙地面的宽带电磁散射研究

利用指数型随机粗糙面模拟实际的粗糙地面,运用时域有限差分法研究了微分高斯脉冲波照射时粗糙地面的宽带电磁散射问题,得出了后向散射系数的频率响应曲线,计算了后向散射系数随粗糙地面高度起伏均方根、相关长度、土壤湿度、入射角等参数的变化情况,并做了详细分析与讨论,得到了指数型粗糙地面的宽带电磁散射特性.     

基于电磁散射模型的宽带雷达海杂波特性分析

宽带雷达在抗干扰、目标识别与跟踪等方面具有独特优势。基于粗糙面电磁散射模型对宽带雷达海杂波特性进行了分析。首先利用PM谱函数建立二维海洋粗糙面,引入锥形入射波来克服粗糙面的边缘衍射;然后利用物理光学电磁散射模型,并结合子带合成法,得到宽带条件下散射单元的杂波幅度;最后对宽带雷达杂波回波信号进行建模与仿真,得到海面环境杂波的频谱特性和一维距离像,进而分析了雷达工作带宽、入射擦地角和海面风速对海杂波特性的影响。仿真结果表明:雷达工作带宽增加,入射擦地角减小,海杂波回波幅值均有明显下降,而海面风速对海杂波幅值影响不太明显。     

Investigation of simulating radar images concerning the multipath scattering effect

In the composed system of a target and rough surface, the electromagnetic scattering mechanism, especially the multipath scattering, is investigated. Using physical optics double bouncing algorithm, the multipath scattering model of the system has been established. Simulated by a wideband radar signal and based on fractal rough surface, the artificial echo of the target has been obtained in virtue of the established multipath scattering model. By simulating to image the target in one dimension using the artificial echo, two kinds of range profiles are attained. It is found that one is from the target and the other is from the multipath scattering effect.     

基于微扰法的指数型粗糙面光散射研究

运用微扰法研究了指数型粗糙面的光散射问题,给出了不同极化情形下散射系数的数学表达式,数值计算得到了双站和单站两种情形下散射系数随散射角变化的曲线,讨论了粗糙面高度起伏均方根、相关长度,介质介电常数,入射光波长对散射系数的影响,得出了指数型粗糙面光散射系数的特征,结果表明粗糙面高度起伏均方根、相关长度,介质介电常数,入射光波长对指数型粗糙面光散射系数的影响是比较复杂的。     

沙漠表面电磁散射的矩量法研究

采用一维指数型分布粗糙面模型和Monte Carlo方法模拟实际的沙漠表面,利用土壤介电常数的四成分模型计算沙土的介电常数,运用矩量法研究了沙漠表面的电磁散射特性,数值计算得出了沙漠表面电磁散射系数随散射角和入射波频率的变化曲线,讨论了电磁散射系数随沙漠土壤湿度、沙漠表面高度起伏均方根、相关长度、入射波频率的变化关系,数值计算结果表明,沙土湿度、沙漠表面高度起伏均方根、相关长度、入射波频率对沙漠表面电磁散射系数的影响是比较复杂的.     

一维带限Weierstrass分形粗糙面电磁散射的微扰法研究

运用微扰法研究了平面波入射粗糙面的电磁散射问题。采用一维Weierstrass分形粗糙面模拟实际的粗糙面,结合其功率谱密度导出了散射系数计算公式;通过数值计算得到HH极化状态下散射系数的角分布曲线,讨论了分维、标度区间、空间基频、粗糙面高度起伏均方根以及入射波频率的变化对散射系数的影响;得到了平面波入射一维带限Weierstrass分形粗糙面散射系数的分形特征、基本特征、分区特征和随频率变化的特征。     

分形地面与埋藏目标宽带电磁散射FDTD研究

采用一维带限Weierstrass分形函数模拟实际的粗糙地面,运用时域有限差分法研究了脉冲波入射时分形地面与下方埋藏目标复合模型的宽带电磁散射问题,得出了后向复合散射系数的频率响应曲线.数值计算了后向复合散射系数随分形地面分维数、高度起伏均方根、土壤湿度、目标尺寸、目标倾角、目标埋藏深度等的变化情况,并做了详细分析与讨论,得到了一维带限Weierstrass分形地面与下方埋藏目标复合模型的宽带电磁散射特性.     

求解一类介质散射问题的特殊解方法

采用特殊解方法, 计算求解一类时谐介质散射问题. 算法在区域简单剖分的基础上, 利用]基本解函数近似散射场的局部性态和无穷远处性态, 无需将无界域截断为有界域, 适用于一般散射体及多个散射体情形, 在粗糙网格下便可达到较高精度, 并实现快速收敛. 数值算例表明了算法的可行性和有效性.     

光镊理论模型研究进展

根据微粒尺度与入射光波长间的关系,给出几何光学模型和电磁模型.详细描述几何光学法、时域有限差分法(FDTD)、有限元法(FEM)、广义洛伦兹-米理论(GLMT)和瑞利散射方法等计算光镊捕获力的理论,并列出T矩阵法、离散偶极子近似法(DDA)、矩量法(MOM)及耦合偶极子法(CDM)等多种数值计算方法.研究表明:在光镊技术中,这些方法可用于不同性质的光束及微粒的研究,其研究方法与过程均有所不同.     

电化学沉积Rh制备紫外拉曼活性基底

Rh在紫外激发区间有着较强的表面增加拉曼散射(SERS).用循环伏安法研究了RhCl3溶液中Rh3 在Au电极上的电化学还原行为,用恒电位阶跃法在Au基底上制备了Rh沉积层,并用场发射扫描电子显微镜、能谱及电化学方法对得到的沉积层进行了表征.结果表明,在所选择的电位下用电沉积方法能够在金表面得到均匀的Rh沉积层,该沉积层保持了金属Rh原有的电化学特性.采用电化学方法通过先粗糙Au电极再沉积Rh的策略,可以制备粗糙的Rh表面作为紫外SERS基底.拉曼光谱实验表明,以吡啶为探针分子,该基底具有很好紫外SERS活性.