粗糙面电磁散射及其与目标的复合散射研究

论文摘要

粗糙表面及粗糙面与目标的复合电磁散射研究在微波遥感、雷达成像、海洋工程、无线通信、表面光学和半导体物理等领域均具有重要的实际应用。本论文就粗糙面电磁散射及其与目标的复合散射中的若干问题开展了系统的理论研究工作。论文首先研究了随机深粗糙度表面、分层介质微粗糙面的电磁散射及粗糙面、分层介质微粗糙面电磁波透射散射。然后将分层介质微粗糙面电磁散射和透射散射的理论运用到海面,研究了基于P-M谱的二维各向异性分层海面、改进的二维分形模型分层海面的电磁散射和透射散射。最后研究了粗糙面与其下方和上方目标的复合电磁散射问题。主要工作和成果如下:1.根据格林矢量第二定理推导出了平面波入射粗糙面时远区场的数学表达式,进一步运用基尔霍夫驻留相位近似法得到了深粗糙度高斯粗糙面双站散射系数计算公式,通过数值计算讨论了深粗糙度高斯粗糙面双站散射系数随介质介电常数、粗糙面相关长度和均方根、入射波频率的变化。2.运用微扰法研究了平面波入射分层介质微粗糙面的电磁散射和透射散射、导出了不同极化状态下的散射和透射系数公式。分别采用高斯和指数型粗糙面来模拟实际微粗糙面,结合它们的功率谱得到了分层介质散射和透射系数计算公式。通过数值计算讨论了底层介质介电常数、中间层介质介电常数和厚度、粗糙面相关长度及均方根、入射波频率对散射和透射系数的影响,分析了两种类型分层介质微粗糙面的电磁散射和透射散射特性。3.从格林矢量第二定理出发,基于微扰法、基尔霍夫驻留相位近似法和基尔霍夫标量近似法分别研究了高斯粗糙面的透射散射问题。数值计算得到了不同极化状态下透射系数随散射角、散射方位角及入射波频率的变化,讨论了介质介电常数、粗糙面相关长度和均方根、入射波频率对不同极化状态透射系数的影响。4.运用分层介质微粗糙面电磁散射和透射散射理论,结合海面P-M谱与改进的分形海面模型导出了二维分层海面散射系数和透射系数计算公式,数值计算并讨论了双站散射系数和透射系数随中间介质介电常数和厚度、摩擦风速、风区范围、观察方向与逆风方向之间夹角和入射波频率的变化,得出了双站散射系数和透射系数的基本特征、分区特征和随频率变化的特征。5.利用矩量法研究了一维高斯和指数型介质粗糙面与其下方二维导体圆柱的复合电磁散射;数值计算并讨论了不同粗糙面相关长度和均方根、粗糙面下方介质的介电常数、导体圆柱埋藏深度、导体圆柱半径下复合散射系数的变化特征。基于矩量法结合近似解析法基尔霍夫近似的混合算法分析了一维导体粗糙面与其上方具有任意形状截面的二维导体目标的复合电磁散射特性,给出了MOM用于求解粗糙面与其上方目标的复合散射的基本原理,通过数值计算讨论了粗糙面相关长度和均方根、导体圆柱半径和高度对复合散射系数的影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外研究概况
• 1.2.1 随机深粗糙度表面电磁散射研究概况
• 1.2.2 分层介质微粗糙面电磁散射研究概况
• 1.2.3 粗糙面、分层介质微粗糙面电磁波透射问题研究概况
• 1.2.4 分层介质海面电磁散射研究概况
• 1.2.5 粗糙面与目标的复合电磁散射研究概况
• 1.3 论文主要内容及框架
• 1.4 论文创新点
• 第二章 随机深粗糙度表面电磁散射
• 2.1 瑞利判据、描述粗糙表面的统计参量及粗糙表面生成方法
• 2.1.1 瑞利判据（Rayleigh criterion）
• 2.1.2 描述粗糙表面的统计参量
• 2.1.3 随机粗糙表面的生成方法
• 2.2 格林矢量第二定理及远区散射场
• 2.2.1 格林矢量定理
• 2.2.2 幷矢格林函数
• 2.2.3 矢量场的面积分表达式
• 2.2.4 面积分的化简
• 2.2.5 远区散射场
• 2.3 随机深粗糙度表面电磁散射的基尔霍夫驻留相位近似
• 2.3.1 确定nr? ×rE 和nr? ×Hr
• 2.3.2 确定散射场
• 2.3.3 基尔霍夫驻留相位近似法下的散射系数
• 2.4 数值计算结果及散射系数特征分析
• 2.4.1 HH场
• 2.4.2 VH场
• 2.4.3 VV场
• 2.4.4 HV场
• 2.5 本章小结
• 第三章 分层介质微粗糙面电磁散射
• 3.1 引言
• 3.2 分层介质微粗糙面电磁散射的散射系数公式推导
• 3.2.1 近似边界条件
• 3.2.2 零阶场的反射和折射
• 3.2.3 散射场的振幅
• 3.2.4 散射系数
• 3.3 两种典型的分层介质微粗糙面的电磁散射
• 3.3.1 高斯分层介质微粗糙面电磁散射
• 3.3.2 指数型分层介质微粗糙面电磁散射
• 3.4 本章小结
• 第四章 粗糙面电磁波透射散射
• 4.1 引言
• 4.2 基于微扰法的粗糙面电磁波透射散射
• 4.2.1 微扰法下粗糙面电磁波透射系数的推导
• 4.2.2 高斯粗糙面电磁波透射散射
• 4.3 粗糙面透射散射的基尔霍夫驻留相位近似法
• 4.3.1 基尔霍夫驻留相位近似法下高斯粗糙面透射系数的推导
• 4.3.2 数值计算结果与透射系数特征分析
• 4.4 粗糙面透射散射的基尔霍夫标量近似法
• 4.4.1 基尔霍夫标量近似法下高斯粗糙面透射系数的推导
• 4.4.2 数值计算结果与透射系数特征分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 分层介质微粗糙面电磁波透射散射
• 5.1 引言
• 5.2 分层介质微粗糙表面电磁波透射散射的散射系数公式推导
• 5.2.1 近似边界条件
• 5.2.2 零阶场的反射和折射
• 5.2.3 散射场的振幅
• 5.2.4 散射系数公式
• 5.3 两种典型的分层介质微粗糙表面电磁波透射散射
• 5.3.1 高斯分层介质微粗糙面电磁透射散射
• 5.3.2 指数型分层介质微粗糙面电磁透射散射
• 5.4 本章小结
• 第六章 分层介质海面电磁散射与透射散射
• 6.1 引言
• 6.2 基于P-M谱的分层海面电磁散射与透射散射
• 6.2.1 基于P-M谱的分层海面电磁散射
• 6.2.2 基于P-M谱的分层海面电磁波透射散射
• 6.3 改进的二维分形海面模型在分层海面电磁散射中的应用
• 6.3.1 改进的二维分形海面模型在分层海面电磁散射中的应用
• 6.3.2 改进的二维分形模型分层海面电磁波透射散射
• 6.4 本章小结
• 第七章 一维粗糙面与目标的复合电磁散射
• 7.1 引言
• 7.2 一维介质粗糙面与其下方导体目标的复合电磁散射
• 7.2.1 一维介质粗糙面与其下方导体目标复合电磁散射的公式推导
• 7.2.2 矩量法的验证
• 7.2.3 两种典型的一维介质粗糙面与其下方导体圆柱的复合电磁散射
• 7.3 一维导体粗糙面与其上方导体目标复合电磁散射
• 7.3.1 传统MOM求解一维导体粗糙面与其上方目标复合电磁散射
• 7.3.2 混合算法求解一维粗糙面与其上方目标的复合电磁散射
• 7.3.3 混合算法的验证
• 7.3.4 两种典型的导体粗糙面与其上方导体圆柱的复合电磁散射
• 7.4 本章小结
• 结束语
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士期间参加科研项目与发表论文情况