具有二维fBm特征的分层介质粗糙面电磁散射的特性研究

运用微扰法研究了平面波入射分层介质粗糙面的电磁散射,推出了不同极化状态下的双站散射系数公式.采用二维fBm分形粗糙面来模拟实际的分层介质粗糙面,结合二维fBm分形粗糙面的功率谱导出了平面波入射二维fBm分形分层介质粗糙面的散射系数计算公式.通过数值计算得到了HH极化下双站散射系数随散射角的变化曲线,讨论了分维、底层介质介电常数、中间介质介电常数和厚度及入射波频率对双站散射系数的影响,得到了二维fBm分形分层介质粗糙面散射系数的分维特征、基本特征、分区特征和随频率变化的特征. 关键词： 电磁散射 二维fBm分形粗糙面 分层介质 微扰法     

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.     

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。     

指数型分层介质粗糙面电磁波透射系数的特征

根据瑞利假设,运用微扰法近似,将透射场按平面波展开,对坐标进行傅里叶变换,研究了平面波入射时的透射散射现象,避免了繁琐的推导和证明;采用指数型粗糙面模拟实际的介质粗糙面,结合其功率谱导出了透射系数计算公式。数值计算结果表明:中间介质介电常数的实部越大,透射系数越大,虚部越大,透射系数越小;中间介质厚度越大,透射系数越小;粗糙面均方根越大,透射系数越大;粗糙面相关长度越大,透射系数越大;透射系数随入射波频率振荡地增大。     

指数型分层介质粗糙面电磁波透射系数的特征

根据瑞利假设,运用微扰法近似,将透射场按平面波展开,对坐标进行傅里叶变换,研究了平面波入射时的透射散射现象,避免了繁琐的推导和证明;采用指数型粗糙面模拟实际的介质粗糙面,结合其功率谱导出了透射系数计算公式。数值计算结果表明:中间介质介电常数的实部越大,透射系数越大,虚部越大,透射系数越小;中间介质厚度越大,透射系数越小;粗糙面均方根越大,透射系数越大;粗糙面相关长度越大,透射系数越大;透射系数随入射波频率振荡地增大。     

大尺度分层介质电特性参数的反演方法研究

针对大尺度分层介质电磁场散射回波数据, 提出了一种用于分层介质特性参数反演的新方法, 实现了分层介质的介电常数、电导率和介质厚度的同时反演. 方法首先将这些参数的反演转化为最优化问题进行求解, 然后应用模拟退火算法搜索最优解, 充分利用算法的全局寻优能力, 同时改善了算法的搜索控制策略, 使算法在最优解的搜索过程中可以自适应地调整搜索步长, 提高了算法的搜索效率. 结果表明, 本文方法可以实现大尺度分层介质特性参数的准确反演, 且具有较强的抗噪声能力. 该方法可以应用于火星/月球 雷达探测回波数据的反演以及地下分层结构特性的分析. 关键词： 电磁散射 分层介质 模拟退火算法 最优化     

海面与其上方双矩形截面柱复合散射的混合算法研究

采用Pierson-Moscowitz(PM)海谱和Monte Carlo方法模拟实际的粗糙海面, 基于矩量法和基尔霍夫近似的混合算法研究了海面与其上方双矩形截面导体柱的复合电磁散射特性, 得出了复合散射系数的角分布曲线, 计算了复合散射系数随海面参数、矩形截面柱参数以及入射波参数的变化情况, 并做了详细分析与讨论, 得到了PM谱海面与其上方双矩形截面柱复合散射特性. 结果表明, 与单纯的矩量法相比较, 采用基于矩量法和基尔霍夫近似的混合算法, 既可获得较高的准确性, 同时又可减少计算时间和内存占用量, 而且粗糙面尺度越大该优势越明显.     

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     

Investigation of composite electromagnetic scattering from ship-like target on the randomly rough sea surface using FDTD method

Composite electromagnetic scattering from a two-dimensional (2D) ship-like target on a one-dimensional sea surface is investigated by using the finite-difference time-domain (FDTD) method. A uniaxial perfectly matched layer is adopted for truncation of FDTD lattices. The FDTD updated equations can be used for the total computation domain by choosing the uniaxial parameters properly. To validate the proposed numerical technique, a 2D infinitely long cylinder over the sea surface is taken into account first. The variation of angular distribution of the scattering changing with incident angle is calculated. The results show good agreement with the conventional moment method. Finally, the influence of the incident angle, the polarization, and the size of the ship-like target on the composite scattering coefficient is discussed in detail.     

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.     

Hybrid method for investigation of electromagnetic scattering from conducting target above the randomly rough surface

A current based hybrid method (HM) is proposed which combines the method of moment (MOM) with the Kirchhoff approximation (KA) for the analysis of scattering interaction between a two-dimensional (2D) infinitely long conducting target with arbitrary cross section and a one-dimensional (1D) Gaussian rough surface. The electromagnetic scattering region in the HM is split into KA region and MOM region. The electric field integral equation (EFIE) in MOM region (target) is derived, the computational time of the HM depends mainly on the number of unknowns of the target. The bistatic scattering coefficient for the infinitely long cylinder above the rough surface with Gaussian roughness spectrum is calculated, and the numerical results are compared and verified with those obtained by the conventional MOM, which shows the high efficiency of the HM. Finally, the influence of the size, location of the target, the rms height and correlation length of the rough surface on the bistatic scattering coefficient with different polarizations is discussed in detail.     

双尺度动态分形粗糙海面的电磁散射及多普勒谱研究

利用更为符合海面实际散射场计算的双尺度法分析并计算了一维动态分形粗糙海面的后向散射截面，同时与微扰法有关结果进行了比较.研究了动态分形海面后向散射信号的多普勒谱分形特征，分析了不同极化状态下后向散射截面和多普勒谱谱宽随入射角及分维的变化规律，最后详细讨论了多普勒谱中心频率与海面Bragg谐振频率间的关系. 关键词： 双尺度模型 分形海面 电磁散射 多普勒谱     

指数型粗糙地面与上方矩形截面柱宽带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表示实际地面的介电特性,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微分高斯脉冲波照射时粗糙地面与上方目标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,计算了后向复合散射系数随粗糙地面高度起伏均方根、相关长度、土壤湿度、目标尺寸、高度、倾角等几何参数及介电参数等的变化情况,并做了详细分析与讨论,得到了指数型粗糙地面与上方目标宽带电磁散射特性.     

粗糙体目标激光束散射场的互相关函数统计特征

依据高斯波束体目标散射特征,研究了粗糙体目标高斯波束散射场量的互相关函数统计特征。在激光波束入射下,通过数值方法讨论圆球类目标、不同半径、不同材料、不同入射波束极化等条件下,散射场量的互相关函数随散射角变化情况。数值计算结果表明：金属薄膜材料比非金属镀漆材料互相关函数量值要大,金属材料球体目标的后向散射互相关函数值较大,而非金属镀漆材料球体互相关函数值较小。材料表面的粗糙度和目标尺寸对互相关函数影响较大,而入射光的极化方式对相关函数有影响但影响较小。     

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.     

Investigation on global positioning system signal scattering and propagation over the rough sea surface

This paper is devoted to the study of polarization properties, scattering properties and propagation properties of global positioning system (GPS) scattering signal over the rough sea surface. To investigate the polarization and the scattering properties, the scattering field and the bistatic scattering coefficient of modified Kirchhoff approximation with using the tapered incident wave is derived in detail. In modeling the propagation properties of the GPS scattering signal in the evaporation duct, the initial field of parabolic equation traditionally computed by the antenna pattern with using fast Fourier transform (FFT) is replaced by the GPS scattering field. And the propagation properties of GPS scattering signal in the evaporation duct with different evaporation duct heights and elevation angles of GPS are discussed by the improved discrete mixed Fourier transform with taking into account the sea surface roughness.     

分形大地土壤表面与部分埋藏目标复合散射特性

采用土水混合物介电常数的Topp方程模型表示大地土壤的介电特性,应用带限Weierstrass-Mandelbrot分形粗糙面模型和Monte Carlo方法模拟大地土壤表面,运用矩量法研究了带限分形大地土壤表面与部分埋藏矩形截面柱复合模型的电磁散射,得出了复合散射系数的角分布曲线;计算了复合散射系数随带限分形大地土壤表面分维、空间基频、高度起伏均方根、土壤含水率、矩形截面柱几何参数、埋藏深度、倾角、入射波频率等的变化情况,并做了详细分析与讨论;结果表明,土壤表面分维等参数对复合散射系数的影响是非常复杂的,镜像附近的角分布曲线具有明显的分形特征。     

粗糙面重构问题的混合算法研究

基于Desanto的谱表示法,采用数值和近似算法相结合的混合算法对一维粗糙面的重构问题进行了研究.对于正问题,采用数值算法——矩量法(MOM)得到一维粗糙面的相关散射数据,对于逆问题,考虑不同粗糙度的粗糙面,分别采用两种近似算法——微扰近似(SPA)、基尔霍夫近似(KA)与矩量法的混合算法,对粗糙面轮廓进行了重构;数值结果以高斯粗糙面为例,给出了混合算法对不同粗糙度粗糙面的重构算例,并进行了数据比较和分析. 关键词： 粗糙面重构 矩量法 微扰近似 基尔霍夫近似     

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     

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.