覆盖泡沫粗糙海面的激光散射特性研究

对潜通信及对潜探测中蓝绿激光将穿透海水表面,大气/海水界面由于风速及其他外力作用而呈现复杂状况,将影响蓝绿激光在界面的传输特性。针对泡沫-海面复合模型,采用矢量辐射传输理论、米氏理论以及粗糙面散射理论对泡沫海面的散射特性进行了分析。采用基尔霍夫近似针对JONSWAP海谱,讨论了泡沫海面在蓝绿激光波段的后向散射系数与入射角、风速、风区以及海水温度、含盐度等参量的关系。结果表明:随着海面上方风速、风区及介电常数的增大,泡沫层对海面的激光散射具有相当大的影响,尤其是在入射角度较大的状态下。     

气泡/泡沫覆盖粗糙海面电磁散射的修正双尺度法研究

提出了风驱粗糙海面覆盖水气泡层的‘体-面’复合模型.基于修正的双尺度粗糙面散射理论、MIE理论和矢量辐射传输理论,比较了水气泡与实心水粒子的电磁散射特性的差异,分析了海面泡沫覆盖率与风速、气-海温差的关系.在有、无泡沫层情形下,采用高斯和经验海谱,讨论了单站、双站散射系数与入射角、方位角、风速、风向、极化等参量的关系,并将数值计算的结果与相关文献的测量值进行了比较和分析. 关键词： 电磁散射 海面复合模型 修正双尺度法 MIE     

粗糙海面及其上方导体目标复合电磁散射的混合算法研究

利用基于电流计算的矩量法结合高频算法基尔霍夫近似的混合算法,分析了一维PM谱粗糙海面及其上方二维无限长任意截面导体目标的双站复合电磁散射特性.混合算法将粗糙面和目标分别划分到KA区域和MOM区域,由于无需数值求解粗糙海面区域的表面极化电流,该算法的运算时间和对计算机内存的需求主要取决于粗糙面上方目标的网格划分情况.数值结果以无限长导体圆柱为例计算了其与一维下垫PM谱粗糙海面的复合双站散射截面,并将计算结果与经典MOM结果进行了比对和验证,结果表明混合方法具有较高的计算效率.最后应用混合方法讨论了不同极化状态、海上不同风速以及目标不同尺寸和位置对复合散射截面的影响. 关键词： 粗糙海面 电磁散射 混合算法 矩量法     

基于小斜率近似的深海海面混响

收发设备在海面附近的深海混响实验中,多途时延使得最先到达水听器的为海面混响信号,且不受海底散射声场的干扰.本文利用射线理论描述深海声传播的格林函数,采用粗糙界面一阶小斜率近似方法描述全角度海面散射,给出海面混响声场的表达式.同时考虑了海面表层气泡散射的贡献,获得了海面混响理论.通过数值仿真数据和深海实验数据的比较对海面混响模型进行验证,分析了不同接收深度、频率下的海面混响强度衰减趋势.结果表明:低海况条件下,低频海面混响由粗糙界面散射主导,气泡散射可以忽略,随频率升高,气泡散射对海面混响的贡献逐渐增大,海面附近收发深度的小幅变化对混响衰减曲线的影响不明显.基于该模型提出一种反演海面粗糙界面谱参数的方法,数值计算结果验证了该模型能够在风速已知的前提下,通过海面混响数据提取海面粗糙界面谱参数.     

复杂海况下激光气-海信道传输特性

在蓝绿激光对潜通信及对潜探测应用中,激光分别通过大气、气-海界面以及海水信道传输。由于海面上方覆盖海雾、风速引起海面粗糙度变化以及覆盖泡沫、海水信道中存在悬浮粒子等多种因素的影响,蓝绿激光传输信道呈现复杂特征。基于米散射理论、粗糙面散射理论及辐射传输理论,针对上述复杂海况开展海雾大气、泡沫覆盖风驱粗糙海面及考虑浮游植物分布的海水信道的激光传输特性研究,并详细讨论了风速、海雾能见度及浮游植物分布对激光功率的衰减作用。结果表明:海雾、粗糙海面泡沫和海水信道中浮游植物对传输激光功率共同起作用,其中海水信道中浮游植物对激光功率的衰减最为显著,风速改变带来的海面粗糙度变化以及覆盖泡沫主要对激光透射角域产生显著影响,同时对激光功率的透射极值产生一定的影响。     

二维粗糙海面散射回波多普勒谱频移及展宽特征

基于二维线性海面模型及粗糙面电磁散射的一阶小斜率近似公式,研究了海面回波各阶多普勒谱的频移特性,得到了多普勒谱频移所对应的理论公式,与经典多普勒频移公式相比考虑到了风速、大尺度波浪轨道运动等因素对多普勒谱频移的影响;同时根据粗糙面的双尺度模型,基于多普勒谱频移的物理机理,给出了求解散射场多普勒谱展宽的理论公式.最后将理论公式计算所得结果与模拟结果及实测数据进行了比较,讨论了风速、入射波频率及入射角等因素对多普勒频移及多普勒谱展宽的影响.通过比较可以发现,给出的理论公式可以对多普勒谱频移和展宽进行一定程度的预测. 关键词： 粗糙海面 电磁散射 多普勒谱     

浅海起伏海面下气泡层对声传播的影响

分析了起伏海面下风浪引起的气泡层对海面反射损失和对声传播的影响.一方面,气泡层会改变原来水中的声速剖面;另一方面,气泡层会对声波产生散射和吸收作用.考虑以上两方面的因素,分析了不同风速下气泡层对海面反射损失和声传播损失的影响,仿真发现,在风速大于10 m/s时,对于2 k Hz以上频率时气泡层对小掠射角下海面反射损失的影响不可忽视.在给定的水声环境中,当声源深度和接收深度都为7 m时,风速为16 m/s的风浪下生成的气泡层,在10 km处对3 k Hz的声传播损失的影响达到8.1 d B.当声源深度和接收深度都为18 m时,风速为16 m/s的风浪下生成的气泡层,在10 km处对3 k Hz的声传播损失的影响达到4 d B.     

二维海面上舰船目标电磁散射及合成孔径雷达成像技术研究

研究了二维海面上三维金属目标的电磁散射计算以及合成 孔径雷达(SAR)成像技术. 基于物理光学法、几何光学法和射线弹跳法计算了海 面与目标镜面反射及相互耦合作用; 并用等效电流法计算了目标的棱边绕射作用, 该方法考虑了阴影效应,同时为了消除人为截断引起的边缘衍射, 采用锥形入射波入射. 应用蒙特卡罗法生成的Pierson-Moskowitz谱粗糙面模拟实际海洋面, 计算海面上立方体及舰船的双站雷达散射截面, 通过与数值算法的结果相比较, 验证了该算法的正确性. 运用该解析法快速获取不同频率、 不同角度入射波照射下海面与目标的复合后向散射场数组, 结合SAR成像技术, 得到海面上立方体以及不同姿态舰船目标的SAR成像结果. 该研究成果在实际海洋遥感、海面上军事目标的探测与识别 等领域中具有重要的应用价值.     

时域混合算法在一维海面与舰船目标复合电磁散射中的应用

采用时域积分方程(TDIE)与时域基尔霍夫近似(TDKA)的混合算法研究粗糙海面与舰船目标的复合瞬态电磁散射.该方法将舰船目标及其近邻海面划分为TDIE区域,用TDIE方法精确求解;将剩余电大尺寸的粗糙海面划分为TDKA区域,采用高效的TDKA电流近似求解.通过混合算法和传统TDIE算法结果的对比,表明TDIE-TDKA混合算法能保证计算的精度,同时具有较高的计算效率.最后,讨论了海面上方有无目标、海面上方风速、电磁脉冲入射角、舰船目标尺寸、吃水深度对后向散射磁场的影响.     

风驱粗糙海面背景下海雾对可见和红外光多次散射特性研究

通过测量空间辐射反演海雾气溶胶的微观特性是一种重要的遥感方法,但是海雾对辐射的反射会受到海面背景的影响。该工作研究了海雾与海面的耦合多次散射。利用Mie理论研究了海雾气溶胶的单次散射特性,利用辐射传输理论研究太阳光在无下垫面海雾中传输多次散射特性;在基尔霍夫近似下研究了风驱粗糙海面的散射特性,并考虑了海面的遮蔽效应,得到了风驱海面随风速的反射函数。根据累加法研究了海雾和海面的耦合散射,计算结果表明海雾在有粗糙海面作为背景的情况下,其整体反射有较大增强。     

FDTD investigation on the electromagnetic scattering from a target above a randomly rough sea surface

A finite-difference time-domain approach for electromagnetic scattering characteristic from a two-dimensional (2-D) infinitely long target with arbitrary cross-section above the one-dimensional (1-D) randomly rough sea surface is presented. Taking the composite scattering of rough sea surface and infinitely long cylinder as an example, the angular distribution of the scattering cross-section with different incident angles is calculated and it shows good agreement with the numerical result by the conventional Method of Moments (MOM). Finally, the influence of the windspeed on the sea surface, the incident angle, as well as the size and location of the target on the composite radar cross-section (RCS) with different polarisations is investigated in detail.     

Electromagnetic scattering from a PEC object above a dielectric rough sea surface by a hybrid PO–PO method

In this paper, the electromagnetic scattering from a perfectly electric conducting object above a dielectric sea surface is investigated by an efficient hybrid method combining physical optics (PO) with physical optics (PO). Both the scatterings of an object and the underlying sea surface are calculated by the PO method and the mutual couplings between them are solved by the equivalence principle and multi-path scattering strategy. In numerical simulations, the monostatic and bistatic normalized radar cross-section of the composite model is computed by the proposed method and is compared with that by the conventional method of moments. The results show the hybrid PO–PO method has a good accuracy, presence of PO and can greatly reduce the computational time and memory requirement.     

畸形波电磁散射特性分析及其特征识别标识的研究

针对弱非线性的Longuet-Higgins模型在模拟强非线性畸形波海面时所存在的问题,采用修正的相位调制法模拟一维畸形波时间、空间波面,该方法能够实现畸形波的定时定点生成,并且其波形既能保持目标谱的频谱结构,又能较大程度地满足波浪序列的统计特性.同时,基于改进的双尺度(TSM)法及时域有限差分法建立畸形波的电磁散射模型,经过相对平均偏差和均方根偏差误差分析后,基于TSM法研究分析了畸形波及其背景海面波的归一化雷达散射截面(NRCS)的计算结果.实验表明,合成孔径雷达成像中畸形波的NRCS比背景波要小,即畸形波的合成孔径雷达图像成像比背景波要灰暗,因此可以将NRCS作为畸形波的特征识别标识.通过分析研究不同极化方式、入射角、入射频率条件下畸形波与背景波面的电磁散射特性实验数据得出:当二者的NRCS差值大于-11.8 dB及以上时,即认为产生畸形波,这为实际的工程应用提供了参照标准.     

有限元/边界积分方法在海面及其上方弹体目标电磁散射中的应用

本文将有限元/边界积分方法(FE/BIM)结合区域分解方法引入到粗糙海面及其上方目标 的电磁散射问题的研究中. 由于积分边界可以以任意形状设置在距模型表面任意远的距离处, 故本文采用共形人工边界结合区域分解建模方法截断模型的开放计算区域以减少求解未知量, 在截断区域内部采用有限元方法求解, 而计算区域的边界条件通过边界积分方程方法得到. 通过与矩量法获得的数值计算结果进行比较, 证明了该混合算法及模型处理方法的正确性, 进而研究了海面上方弹体目标的电磁散射特性, 并讨论了其双站散射系数随电磁波入射角度、目标高度、海面风速以及弹体尺寸的电磁散射特性变化情况. 本文结果可用于反演复杂背景下的目标信息及目标探测等领域. 关键词： 电磁散射 粗糙海面 目标 有限元/边界积分方法     

雪层覆盖的粗糙地面与上方矩形截面柱复合电磁散射的时域有限差分法研究

采用土壤介电常数的四成分模型和雪的介电常数模型分别表示实际的地面和雪层的介电特性, 应用指数型分布粗糙面模型和Monte Carlo方法模拟实际的粗糙地面, 运用时域有限差分方法研究了雪层覆盖的粗糙地面与上方矩形截面柱的复合电磁散射问题. 得出了复合电磁散射系数的角分布曲线, 计算了双站复合散射系数随土壤与雪层粗糙度参数、介电参数、 矩形截面柱几何参数、介电参数等的变化情况, 并做了详细分析与讨论. 得到了雪层覆盖的粗糙地面与上方矩形截面柱复合电磁散射特性.     

Analysis of one-dimensional rough surface scattering based on bidirectional reflectance distribution function model

Through in-depth analysis of the scattering properties of a one-dimensional random rough surface, a method to calculate the spatial bidirectional reflectance distribution function (BRDF) characteristics of a randomly rough surface is proposed. The scattering characteristics of an electrically large rough surface can be substituted by combination of subsection electromagnetic fields. The radar cross-section (RCS), which is transformed from the BRDF, is compared with numerical results from the Method of Moment (MoM). The agreement of the results verifies that this method could calculate the electromagnetic scattering field efficiently and straightforwardly. Moreover, the resulting combined fields from the BRDF of subsections in the rough surface show a good match with the entire scattering field of a whole surface, which indicates that a large electrically rough surface could be feasibly and effectively substituted with the combination of scattering elements using the BRDF method and the statistical method.