海面舰船尾迹电磁散射研究

论文摘要

海面舰船尾迹电磁散射特性研究在海洋遥感、舰船目标识别和特征参数反演等领域起着十分重要的作用。尤其当舰船在复杂海环境中运动时，该研究课题成为一项十分复杂且极具挑战性的工作，主要表现在以下几个方面：其一，与舰船尾迹相互作用的海浪因其运动方式复杂多变，仅针对时变海面电磁散射特性的研究就已经包含诸多难点，如海浪运动的非线性、二维海浪实时仿真所带来的巨大计算负担等等。尤其在微波波段下，目前仍然没有一种十分有效的时变特性分析模型；其二，海面上舰船尾迹往往具有电大尺寸和复杂精细的结构，使得舰船尾迹电磁散射的快速计算同样也是计算电磁学领域的难点；其三，舰船尾迹同海面之间的水动力相互作用十分复杂，从而使相应的散射问题变得更加复杂。因此，论文系统地研究了海面舰船尾迹的电磁散射特性，重点针对三种典型的海面舰船尾迹，开展快速几何建模和电磁散射建模方法研究，并且分析了运动舰船尾迹的多普勒谱特征。论文主要工作如下：1.研究了海面上舰船尾迹的产生机理，仿真得到了线性海面和非线性海面的Kelvin尾迹、湍流尾迹以及内波尾迹几何特征。同时,详细分析与验证了背景海面的电磁散射模型，即双尺度模型（TSM）和小斜率近似模型（SSA）。2.结合锥形波入射下的小斜率近似方法，重点研究了海面上舰船开尔文尾迹的电磁散射特性，对比分析了开尔文尾迹在理想导体（PEC）海面和一般介质海面上的散射特性差异。同时，讨论了风速、风向、舰船类型、舰船几何尺寸、船速以及非线性对开尔文尾迹电磁散射的影响。3.研究了主要由泡沫组成的湍流尾迹的体散射模型，利用辐射输运理论（VRT）和Mento-Carlo方法建立了湍流尾迹的体散射模型。4.基于内波尾迹粗糙度较小的特点，同时，结合而写小斜率近似方法（SSA-II）,重点研究了低海况下内波尾迹的电磁散射特性。同时，考虑到内波尾迹覆盖范围大的因素，论文采用了分区域研究内波尾迹的电磁散射特性的方法。5.研究了运动舰船开尔文尾迹在动态线性和非线性海面上的多普勒谱特性，对比分析了海况参数和舰船参数对开尔文尾迹多普勒谱的影响。计算结果表明：归一化的多普勒谱对于SSA-I来说，两种同极化的结果是重合的，而对于SSA-II来说两种同极化结果是有明显差异的，这主要是由于SSA-I是直接和波高成比例的，而SSA-II是通过斜率对SSA-I的修正，因此SSA-II的结果与实际物理背景是相一致的。然而，从直接求和的方法计算SSA-II的结果，其计算量是非常大的，为了克服这一困难，我们采用了快速傅里叶变换（FFT）方法对SSA-II进行加速，这样就满足了在实际电磁仿真计算中的实时性要求。

论文目录

• 作者简介
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究究背景及意义
• 1.2 国内外研究概况和发展趋势
• 1.2.1 海面几何建模方法
• 1.2.2 舰船尾迹建模方法
• 1.2.3 粗糙海面电磁散射模型回顾
• 1.2.4 动态海面回波分析
• 1.3 本文的主要工作及贡献
• 1.3.1 论文的安排
• 1.3.2 论文的主要贡献及创新点
• 第二章 动态海面几何建模和舰船尾迹几何仿真
• 2.1 引言
• 2.2 海浪谱及时变海面生成
• 2.2.1 海浪谱概述
• 2.2.2 常见海浪谱模型
• 2.2.3 线性海面几何仿真
• 2.2.4 非线性海面几何仿真
• 2.3 舰船开尔文尾迹
• 2.4 舰船湍流尾迹
• 2.5 舰船内波尾迹
• 2.6 本章小节
• 第三章 粗糙海面电磁散射理论和概述
• 3.1 引言
• 3.2 双尺度法
• 3.2.1 双尺度法的散射理论
• 3.2.2 TSM 的遮挡修正
• 3.2.3 数值结果与分析
• 3.3 小斜率近似
• 3.3.1 散射振幅矩阵
• 3.3.2 统计意义下的小斜率近似及数值结果分析
• 3.3.3 确定性海面模型下的小斜率近似及数值结果分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 舰船开尔文尾迹散射特性研究
• 4.1 引言
• 4.2 Kelvin 尾迹在双叠加 PEC 海面上的散射特性
• 4.3 Kelvin 尾迹在线性滤波海面及相应的非线性海面上的散射特性
• 4.4 本章小节
• 第五章 舰船湍流尾迹散射特性研究
• 5.1 引言
• 5.2 泡沫特性分析
• 5.2.1 泡沫层的反射率
• 5.2.2 泡沫覆盖率
• 5.3 泡沫的电磁体散射统计模型
• 5.3.1 球形气泡微波散射特性
• 5.3.2 粗糙海面上的一层球形散射粒子的 VRT 方程及其迭代解
• 5.3.3 数值结果与分析
• 5.4 泡沫的电磁体散射场模型
• 5.4.1 泡沫层相干散射模型的散射场
• 5.4.2 Monte-Carlo 计算流程
• 5.4.3 数值结果与分析
• 5.5 本章小节
• 第六章 舰船内波尾迹散射特性研究
• 6.1 引言
• 6.2 内波尾迹在线性滤波海面及相应的非线性海面上的散射特性
• 6.3 本章小节
• 第七章 运动舰船尾迹在时变线性与非线性海面中多普勒谱的研究
• 7.1 引言
• 7.2 多普勒谱的相关概念
• 7.2.1 多普勒谱
• 7.2.2 多普勒频移
• 7.2.3 多普勒谱展宽
• 7.3 时变海面多普勒谱数值结果与分析
• 7.3.1 线性与非线性时变海面 SSA-I 下的多普勒谱
• 7.3.2 线性与非线性时变海面 SSA-II 下同极化的多普勒谱对比
• 7.3.3 线性与非线性时变海面 SSA-II 下多普勒谱频移对比
• 7.3.4 线性与非线性时变海面 SSA-II 下多普勒谱展宽对比
• 7.4 时变海面上舰船 Kelvin 尾迹的多普勒谱仿真结果
• 7.4.1 舰船 Kelvin 尾迹波的运动描述
• 7.4.2 基于 SSA-II 计算的时变海面上舰船 Kelvin 尾迹的多普勒谱分析
• 7.5 本章小节
• 第八章 结束语
• 8.1 论文工作的总结
• 8.2 进一步的研究工作和展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士期间发表论文与参与科研情况
• 一、发表论文
• 二、参加科研项目情况