修正反射系数的Kirchhoff近似方法计算高斯起伏冰面三维声散射

针对随机起伏冰面的声散射计算问题,利用修正反射系数的Kirchhoff近似方法计算了高斯起伏冰面的三维声散射。在计算模型中引入了冰面局部统计平均反射系数的概念,将二维高斯起伏冰面的散射分为相干散射和非相干散射,分别得到两类散射成分的散射系数公式,计算了高斯起伏冰面三维声散射的散射强度。分析了散射强度与随机起伏冰面的均方根高度、声波入射角度及频率的关系。通过实验室水池中高斯起伏冰面的散射强度测量实验,对理论模型的计算结果进行了验证。将实验结果分别与采用冰面局部统计平均反射系数的模型计算结果和文献中采用平整冰面镜反射系数的模型计算结果进行了对比,采用冰面局部统计平均反射系数的模型计算结果与实验测量值吻合较好。      

随机粗糙面上后向散射的增强

用基尔霍夫近似,研究了随机粗糙面后向散射方向上角度性的散射增强的理论。所得到的极化二次散射强度的解析公式解释了随机粗糙面上多次散射的相干性,并用来定量地计算随机粗糙面后向散射的增强。 关键词：     

随机粗糙面激光脉冲散射四阶统计特征

依据基尔霍夫近似,推导出一维高斯随机粗糙面四阶统计特性解析式,并获得脉冲波入射下粗糙面双点双频四阶矩互相关函数.数值计算不同入射角,不同高度起伏和相干长度,随机粗糙面双点双频四阶矩互相关函数随相干频谱带宽频差,散射角的变化情况.计算结果表明,高度起伏和相干长度对粗糙面散射四阶统计特的影响很大,粗糙面越光滑,在镜反射方向有最大的四阶矩散射峰值和小的相关带宽.随着粗糙度增加,随机粗糙面脉冲散射的四阶矩的相干分量减弱,展宽现象明显;而相干带宽频差越大,四阶矩衰减越快. 关键词： 四阶矩统计特征 双点双频互相关函数 随机粗糙面 脉冲波散射     

随机粗糙表面光散射场分布特性的机理研究

为了研究随机粗糙表面光散射分布特性机理,采用线性滤波法生成高斯分布随机粗糙表面,以基尔霍夫近似作为电磁场边界条件,采用蒙特卡罗方法数值计算了一组金属和一组电介质粗糙表面在S偏振光和P偏振光照射下的散射光强度空间分布。计算结果显示:金属表面与电介质表面的散射光分布宽度、散射峰值、散射峰位置三个散射特征存在显著差异,经过分析发现这种特征差异的产生机理是由表面面元的斜率分布和面元反射率共同因素导致,与数值计算结果对比,二者具有良好的一致性。     

起伏海面环境下水声信道特性及估计方法*

为了研究随机起伏海面的散射对水声信道特性的影响,以及不同信道估计算法在该信道条件下的性能问题,该文从利用Monte Carlo方法模拟的基于PM海浪谱的二维随机起伏海面出发,提取了与风向不同夹角的一维随机起伏海面,并利用Kirchhoff近似法计算了其散射强度。将得到的声散射特性和海面环境信息融入到信道模型中,建立了基于PM海浪谱的随机信道模型。通过仿真分析了不同风速、传播距离条件下,声波的传播损失和信道冲激响应变化,并利用l_0-最小均方误差法、匹配追踪算法和正交匹配追踪算法进行了信道估计。给出了不同环境条件下,三种算法估计性能的综合比较结果,验证了算法针对该信道模型的有效性。     

三维随机粗糙面上导体目标散射的解析-数值混合算法

提出三维导体目标与导体粗糙面复合散射的解析-数值混合迭代算法,推导出三维目标与粗糙面的耦合积分方程,以及粗糙面散射的Kirchhoff近似(KA)计算式.粗糙面的KA解析计算大大降低了粗糙面求解的复杂度,与目标矩量法的混合迭代保证了计算结果的精度,使得三维体-面目标复合散射计算变得可行.由于体-面两者的高阶耦合作用明显减小,保证了该混合迭代算法的收敛性.与镜像Green函数方法的比较表明该混合算法的有效性,并讨论了粗糙面长度选择对计算结果的影响.结合Monte-Carlo方法,数值分析了理想导体Gauss 关键词： 复合散射 Kirchhoff近似 共轭梯度法 互耦迭代     

浅海小掠射角的海底界面声反向散射模型的简化

在浅海,尤其是负梯度声速剖面和海面较为平静的浅海波导,海底界面反向散射是浅海混响的主要来源.经验散射模型只适用于分析浅海混响平均强度衰减特性,而基于物理机理建立的反向散射模型克服了这一缺陷,但同时也引入了其受地声模型约束的问题.本文结合了海底反射系数的三参数模型,对浅海远场海底反向散射模型进行了简化,以减少地声模型的输入参数.理论分析了海底反射系数的相移参数可以描述海底对声场的散射作用,无需任何海底地声参数的先验知识.通过对海底反向散射模型近似简化,结果表明在临界角附近和甚小掠射角范围内的海底粗糙界面反向散射模型的角度特性和强度特性受海底沉积层的影响不同:在临界角附近,海底反向散射的角度特性受海底反射系数的相移参数加权,而其散射系数则近似与相移参数无关;对于甚小掠射角,海底反向散射的角度特性近似与海底反射系数的相移参数无关,其散射系数则近似与相移参数的4次方成正比.     

蒙特卡洛法研究随机粗糙表面的光散射特性

本文采用蒙特卡洛(M-C)数值模拟,生成起伏高度满足高斯分布的随机粗糙表面。借助Kirchhoff近似,并在综合考虑辐射传输、光学及电磁学有关理论的基础上,利用M-C方法计算了符合高斯分布的一维随机粗糙表面的单次和多次光散射分布,模型结合射线追踪法考虑了粗糙表面的遮蔽效应。结果表明在考虑多次散射时,存在后向散射增强现象,该结论与实验结果相吻合,证明本文数值模拟方法的正确性。     

大尺度分层介质粗糙面电磁散射的特性研究

首先建立大尺度分层介质粗糙面散射的物理模型, 基于Stratton-Chu积分方程和Kirchhoff近似导出了粗糙面散射场的计算公式. 采用高斯随机粗糙面来模拟实际的分层介质粗糙面, 通过数值计算得到了正下视单站雷达接收到的后向散射回波. 理论推导了散射场强度与表面粗糙度之间的定量关系, 并从数值仿真的角度分析了表面和次表面的粗糙度对散射回波的影响, 给出了散射场随粗糙度变化的曲线. 最后考察了分层介质的电特性参数(介电常数和电导率)对分层粗糙面散射场的影响, 并对计算结果做出了分析.     

三维随机粗糙面上导体目标散射的解析-数值混合算法

提出三维导体目标与导体粗糙面复合散射的解析-数值混合迭代算法，推导出三维目标与粗糙面的耦合积分方程，以及粗糙面散射的Kirchhoff近似(KA)计算式.粗糙面的KA解析计算大大降低了粗糙面求解的复杂度，与目标矩量法的混合迭代保证了计算结果的精度，使得三维体-面目标复合散射计算变得可行.由于体-面两者的高阶耦合作用明显减小，保证了该混合迭代算法的收敛性.与镜像Green函数方法的比较表明该混合算法的有效性，并讨论了粗糙面长度选择对计算结果的影响.结合Monte-Carlo方法，数值分析了理想导体Gauss     

海面冰层对声波的反射和散射特性

北极海面冰层复杂多变,其对声波的反射和散射严重影响冰下水声信道的传输特性,建立海面冰层的声波反射和散射模型对冰下水声通信研究具有重要意义.假设海面冰层为多层固体弹性介质且冰-水界面粗糙,满足微扰边界条件,导出声波从海水介质入射到海面冰层时相干反射系数满足的线性方程组.对相干反射系数随声波频率、掠射角、冰层厚度的变化进行数值分析.进一步引入根据散射声场功率谱密度计算散射系数的方法,改变掠射角,对冰层厚度、散射掠角对散射系数的影响进行研究.     

An angular cutoff composite model for investigation on electromagnetic scattering from two-dimensional rough sea surfaces

Based on the local configuration angle division to select the corresponding method for electromagnetic scattering calculation from rough sea surface,this paper presents an angular cutoff composite model:when the local scattered angle is in the specular region that is given by an approximately 20 degrees cone around the specular direction,the Kirchhoff approximation is applied to evaluate the specular reflection,which dominates the total scattering in this region;the small perturbation method is employed to handle the diffuse reflection which is predominant as the local scattered angle is situated out of the specular region.Numerical results are compared with those of experimental and theoretical models in several configurations as a function of incident angle,wind speed,wind direction.The comparison of numerical results of other experimental and theoretical models in several configurations shows that the new composite model is robust to give accurate numerical evaluations for the sea surface scattering.     

粗糙海面对高斯分布激光光束的反射模型推导

研究激光光束海面反射光强的方向分布特性对海上光电对抗等领域的工程实践具有重要意义.本文采用分形方法模拟粗糙海面,并在海面基准坐标系中建立起描述粗糙海面几何特征的数学方程,然后基于蒙特卡罗方法模拟高斯光束,依据几何光学原理在基准坐标系下推导了高斯光束的海面反射模型,采用该模型可以编程计算激光光束海面反射光强的方向分布.将模拟计算结果与实验结果进行了对比分析,结果表明该模型可以较好地反映激光光束海面反射光强的分布趋势,验证了模型的有效性.     

土壤表面与部分埋藏多目标复合散射的时域有限差分方法

采用Dobson半经验模型和电介质复介电常数表示土壤介电常数的实部和虚部,用指数型分布粗糙面和Monte Carlo方法模拟土壤表面,运用时域有限差分方法研究土壤表面与部分埋藏多个矩形截面混凝土柱复合模型的电磁散射.结果表明：复合散射系数随散射角振荡变化;土壤表面高度起伏均方根、土壤含水率、目标介电常数、入射角对复合散射系数影响较大;土壤表面相关长度、目标截面宽度、高度、间距、倾角对复合散射系数影响较小;目标埋藏深度对复合散射系数几乎没有影响.与其他数值计算方法比较,采用时域有限差分方法既可获得较高的准确性,又可减少计算时间和内存占用量.可以用来计算地、海粗糙面与附近任意多目标的复合散射.     

高斯分层介质粗糙面光波透射问题的微扰法研究

运用微扰法研究平面波入射分层介质粗糙面的光波透射问题,推出了不同极化状态的透射光波散射系数公式。采用高斯粗糙面来模拟实际的分层介质粗糙面,结合高斯粗糙面的功率谱导出了平面波入射高斯分层介质粗糙面的透射系数计算公式。通过数值计算得到HH极化透射系数随透射光波散射角变化的曲线,讨论底层介质介电常数、中间介质介电常数和厚度、粗糙面参数及入射光波长对透射系数的影响。数值计算结果表明：底层介质介电常数、中间介质介电常数和厚度、粗糙面参数及入射光波长对透射系数的影响是非常复杂的。     

Investigation on electromagnetic scattering from rough soil surface of layered medium using the small perturbation method

Electromagnetic scattering from a rough surface of layered medium is investigated, and the formulae of the scattering coefficients for different polarizations are derived using the small perturbation method. A rough surface with exponential correlation function is presented for describing a rough soil surface of layered medium, the formula of its scattering coefficient is derived by considering the spectrum of the rough surface with exponential correlation function; the curves of the bistatic scattering coefficient of HH polarization with variation of the scattering angle are obtained by numerical calculation. The influence of the permittivity of layered medium, the mean layer thickness of intermediate medium, the roughness surface parameters and the frequency of the incident wave on the blstatic scattering coefficient is discussed. Numerical results show that the influence of the permittivity of layered medium, the mean layer thickness of intermediate medium, the rms and the correlation length of the rough surface, and the frequency of the incident wave on the bistatic scattering coefficient is very complex.     

雪层覆盖地面电磁散射的矩量法

为实现分层介质粗糙面电磁散射的矩量法研究,给出一种分层介质粗糙面电磁积分方程的区域分解方法.将格林定理应用于粗糙面所分的各子空间,结合波动方程和格林函数推导分层粗糙面的电磁积分方程,利用矩量法对其进行离散,数值计算得到雪层覆盖地面散射系数的角分布曲线,其中,粗糙表面由一维带限Weierstrass分形谱和Monte Carlo方法模拟.通过与时域有限差分法数值结果的比对,验证该方法的准确性,并分析散射系数随雪和地面参数、介质参数以及入射波参数的变化,获得了较完整的散射特征.     

Scattering of a narrow wave beam by a randomly rough locally diffuse surface subject to pulse illumination

We consider the scattering of a narrow pulse wave beam by a randomly rough surface with a complex local scattering indicatrix. Analytical expressions are found for the mean received power for a normal distribution of heights and slopes of the surface in two cases: where the direction to the receiver is close to the direction of mirror reflection and where the direction to the receiver is very different from the direction of mirror reflection. It is shown that in these two cases the echo pulse is very different in shape and is controlled by the parameters of the source and receiver, the sounding scheme, and the variance of heights of a rough surface. The received power is strongly dependent on the width of the local scattering indicatrix, and the form of this dependence is determined by the angles of illumination and reception. The analytical expressions for the mean received power are in good agreement with the results of numerical calculations. Institute for Radioelectronics and Laser Engineering of the N. é. Bauman State Technical University of Moscow, Russia. Translated from Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii, Radiofizika, Vol.42, No.4, pp. 333–339, April 1999.