海面及其与上方简单目标的复合电磁散射研究

论文摘要

本文根据复杂背景中电磁波散射理论及相互作用原理，研究了粗糙海面和典型目标的电磁散射特性，主要包括一维、二维改进分形海面模型的电磁散射、非高斯海面电磁散射、海杂波多普勒谱、多个目标复合电磁散射及目标与海面复合电磁散射的研究。主要工作如下： 第一，对传统的一维、二维分形模型进行了改进。改进分形海面的表面轮廓谱函数在空间波数小于和大于基波波数的情况下分别满足正幂率谱和负幂率谱的形式。通过比较可以发现，改进分形海面模型的表面谱函数及相关函数能更好地同有关文献中的结果相吻合。同时，应用基尔霍夫近似推导并数值计算了改进模型的散射系数和散射强度系数。 第二，基于海浪水平及垂直方向上的不对称性，应用修正双尺度模型研究了非高斯海面的电磁散射特性。修正模型的公式中，在经典一阶微扰散射系数上增加了一个附加项，它与非高斯海面的双谱函数成正比，该项反映了海面后向散射系数在逆风和顺风向上观测结果的不对称性。在修正模型是还考虑了遮蔽效应、曲率效应等因素对散射结果的影响。 第三，应用小斜率近似研究了非高斯海面的电磁散射特性，在求解过程中考虑了三阶和四阶统参量对散射系数的影响。并在高频条件下，将小斜率近似方法和几何光学近似方法进行了统一。 第四，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（SSA-1），推导并得到了海面回波信号多普勒谱的频移公式；在粗糙面双尺度模型的基础上，根据多普勒谱频移产生的物理机理，分析给出了海面散射回波多普勒谱宽的理论公式。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展宽的影响。通过比较可以发现，本文给出的理论公式可以对实测结果进行一定程度的预测。 第五，结合表面等效电磁流法将互易性定理在求解两个目标耦合散射场中的应用进行了改进。通常目标对入射波的一阶散射结果容易求解，但由于耦合效应的复杂性，很难给出二阶散射结果的解析形式。本文应用互易性定理给出了求解任意相邻导体／介质目标二次耦合电磁散射场的公式，并利用表面等效电磁流法将求解散射场公式中的体积分简化为面积分的形式，降低了求解难度；另外，还推导给出了目标二次耦合散射场之间的关系。 第六，结合等效电磁流法和互易性定理研究了两相邻无限长圆柱、圆球等目标的复合电磁散射特征，并将此方法推广应用到多目标复合电磁散射问题中，而且将计算结果与时域积分方程方法所得计算结果进行了比较。第七，将数值算法（MOM、MOMI）和互易性定理相结合求解了介质平面及导体海面与其上方二维目标的复合电磁散射问题，结果表明本文方法求解目标与粗糙（平）面复合散射场的效率远高于矩量法计算效率。另外，结合物理光学法、Mie理论和互易性定理研究了粗糙海面与其上方三维简单目标（平板、圆球）的复合电磁散射问题，同时对散射场的多普勒谱特性进行了详细分析和讨论。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外研究概况和发展趋势
• 1.2.1 海面建模
• 1.2.2 海面散射
• 1.2.3 粗糙面与目标的复合电磁散射
• 1.2.4 回波分析
• 1.3 本文的主要工作
• 1.3.1 论文的安排
• 1.3.2 论文的主要贡献
• 第二章 改进的分形海面模型在电磁散射中的应用
• 2.1 引言
• 2.2 一维分形海面的模拟及分形海谱的推导
• 2.2.1 Weierstrass分形函数
• 2.2.2 改进的一维分形海面模型
• 2.3 二维分形海面的模拟及分形海谱的推导
• 2.3.1 改进二维分形海面的模拟
• 2.3.2 二维分形海面的相关函数及表面轮廓谱
• 2.3.3 连续分形海谱及波浪分布函数的确定
• 2.4 一维改进动态分形海面散射系数的求解
• 2.4.1 散射系数的求解
• 2.4.2 平均散射强度系数的求解
• 2.4.3 数值计算结果与讨论
• 2.5 二维改进动态分形海面散射系数的求解
• 2.5.1 散射系数的求解
• 2.5.2 数值计算结果与讨论
• 2.6 本章小结
• 第三章 非高斯海面的电磁散射研究
• 3.1 应用修正双尺度模型求解非高斯海面电磁散射
• 3.1.1 引言
• 3.1.2 修正的双尺度法在非高斯海面电磁散射中的应用
• 3.1.2.1 海谱模型及大尺度截止波数和小尺度截止波数的确定
• 3.1.2.2 海浪水平及垂直方向上的不对称性对散射系数的修正
• 3.1.2.3 非高斯各向异性海面斜率联合概率密度的修正
• 3.1.2.4 遮蔽函数对散射系数的影响
• 3.1.2.5 曲率效应对散射系数的影响
• 3.1.3 数值计算结果与讨论
• 3.2 非高斯海面电磁散射的一阶小斜率近似研究
• 3.2.1 一阶小斜率近似下的粗糙面散射系数
• 3.2.2 一阶小斜率近似下非高斯海面的散射模型
• 3.2.3 小斜率近似结果与几何光学近似结果的统一
• 3.2.4 数值计算结果与讨论
• 3.3 本章小结
• 第四章 海杂波多普勒谱频移及展宽研究
• 4.1 引言
• 4.2 二维动态海面的模拟
• 4.3 海面散射场的多普勒谱频移及展宽分析
• 4.3.1 海面回波多普勒谱频移
• 4.3.2 海面回波多普勒谱展宽
• 4.4 数值计算结果与讨论
• 4.5 本章小结
• 第五章 两相邻目标复合电磁散射研究
• 5.1 引言
• 5.2 粗糙面半空间中两源的互易性
• 5.3 互易性定理在两个相邻目标复合散射中的应用
• 5.4 二次散射场分析
• 5.5 两无限长涂层圆柱复合电磁散射研究
• 5.5.1 理论分析
• 5.5.2 数值计算结果与讨论
• 5.6 两个相邻球体目标复合电磁散射场的研究
• 5.6.1 球形目标的复合电磁散射场
• 5.6.2 数值计算结果与讨论
• 5.7 本章小结
• 第六章 互易性定理在多目标复合电磁散射中的应用
• 6.1 面等效原理和互易性定理在多个目标复合电磁散射中的应用
• 6.2 多个无限长平行圆柱对高斯波束的电磁散射
• 6.2.1 一次散射场的求解
• 6.2.2 二次散射场的求解
• 6.2.3 圆柱的三次散射场及i次散射场的求解
• 6.3 数值计算结果与讨论
• 6.3.1 多个无限长柱体目标的复合散射计算
• 6.3.2 多个球体目标复合散射计算
• 6.4 本章小结
• 第七章 海面与其上方简单目标的复合电磁散射研究
• 7.1 高斯波束/平面波入射时平面上方柱体目标的差值散射场
• 7.1.1 引言
• 7.1.2 理论分析
• 7.1.3 数值计算结果与讨论
• 7.1.4 结论
• 7.2 海面与其上方二维目标的复合电磁散射研究
• 7.2.1 引言
• 7.2.2 理论分析
• 7.2.2.1 海面的模拟
• 7.2.2.2 粗糙面电磁散射的MOMI方法
• 7.2.2.3 复合散射场的求解
• 7.2.3 数值计算结果与讨论
• 7.2.4 结论
• 7.3 时变海面与其上方三维简单目标的复合电磁散射研究
• 7.3.1 引言
• 7.3.2 一维海面电磁散射的KA近似及表面电流的求解
• 7.3.3 海面与其上方平板目标复合电磁散射场的求解
• 7.3.3.1 平板后向散射场的求解
• 7.3.3.2 耦合散射场的求解
• 7.3.3.3 总散射场的求解
• 7.3.3.4 复合散射场的多普勒谱频移
• 7.3.3.5 数值计算结果与讨论
• 7.3.4 海面与其上方球形目标复合电磁散射研究
• 7.3.4.1 球形粒子电磁散射场的求解
• 7.3.4.2 耦合散射场的求解
• 7.3.4.3 数值讣算结果与讨论
• 7.3.5 结论
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士期间参加科研项目与发表论文情况