二維分形海面多極化電磁散射特性.pdf

1、1982年，Mandelbrot出版《自然界的分形幾何》這一著作之后，分形這個概念便在全球不脛而走，迅速深入很多科學領域。Mandelbrot不僅提供了自然界中許許多多的分形圖像，還為混沌提供了必須的語言。分形幾何學為描述復雜現(xiàn)象和探索物質世界的復雜機制提供了簡潔的工具，從此分形在各個領域大顯身手，受到各行各業(yè)科學家的強烈重視。 目前海面的電磁散射是人們研究的熱點之一，分形不可避免的被應用于粗糙海面的電磁散射研究，其重大意義在于

2、：1.對諸如多徑散射和雜波的研究，有助于提高雷達系統(tǒng)和通訊的性能。 2.能夠推動諸如海面特征、海面合成孔徑雷達成像(SAR)環(huán)境監(jiān)測應用的發(fā)展以及便于海洋交通管理。 3.能夠解釋一些海面的物理現(xiàn)象，例如，海浪流體動力學演化、海氣界面的能量交換、海表面流分析等。 近年來，F(xiàn).Berizzi等人對分形海面建模以及分形分析和海浪譜分析貢獻較大。在第三章我們重點介紹F.Berizzi等人提出的一維和二維分形海面模型。另外

3、通過研究發(fā)現(xiàn)：不論是對于一維分形海面模型還是二維分形海面模型，當b值增大，而粗糙度S不變時，圖形越粗糙。當b值不變，而粗糙度S變大時，圖形看起來越粗糙?？梢?，不僅S的大小控制著海面模型的粗糙程度，而且b值也影響海面模型的粗糙程度。 為了研究多極化海面電磁散射特性，在第四章，我們利用惠更斯原理，采用kirchhoff近似和F.Berizzi等人提出的海面散射分形理論及模型，推導出了在無陰影影響和無多次散射、任意電導率情況下的二維分

4、形海面在笛卡兒坐標系下的散射場、散射系數(shù)、雷達截面(RCS)、坡印亭矢量以及局部坐標下的散射系數(shù)矩陣模型，數(shù)值計算了不同方位的不同極化下的雷達截面。結果表明我們的理論模型下的結果與其他文獻結果相吻合，同時給出了二維分形海面的不同方位下接收信號的數(shù)值模擬結果。雖然我們在理論上導出去極化散射系數(shù)表達式，但數(shù)值結果表明任何方位接收信號，海面去極化影響是完全可以忽略的，但交叉極化不能忽略。 在第五章中，利用第四章推導出來的散射系數(shù)矩陣，

5、我們數(shù)值計算了多極化雷達散射截面，通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)：在HH極化和VV極化狀態(tài)下，隨著入射角的增大，歸一化海面后向散射截面近似指數(shù)關系衰減。VV極化和HH極化狀態(tài)下，海面雷達后向散射截面均隨雷達頻率增大而增加。四種極化方式下的雷達后向散射截面隨入射角和風向的分布相同。當θ1確定，θ2從-90°變化至90°時，雙站雷達截面最大值出現(xiàn)在θ2=θ1處，且雷達截面隨著|θ2-θ1|的增大而減小。另外，我們還發(fā)現(xiàn)根據(jù)F.Berrizzi等人推導的海

6、面電導率為無窮大時的散射系數(shù)計算出來的雷達截面值要比利用我們建立的有限電導率分形海面散射系數(shù)計算出來的雷達截面值要大一些，這是因為F.Berrizzi等人考慮的情形是海水電導率為無窮大，電磁波在海面的趨膚深度為零，這樣照射在海面上的散射回波沒有損耗，而實際海水的電導率是有限的，電磁波在海面上的趨膚深度并不為零，照射在海面上的電磁波必有損耗。通過理論和數(shù)值結果的比較，得到接收天線極化矢量和發(fā)射天線極化矢量的相對位置的不同決定了σhh與σv

7、v的關系以及σhv與σvh的關系的結論，并從理論上分析出了σhh與σvv的關系，還求出了臨界值θc1和θc2。 在第六章中，我們數(shù)值計算了被考察區(qū)域海面的共極化信號。通過比較不同海面參數(shù)對于極化橢圓參數(shù)的影響，得出如下結論：海面粗糙度對于極化橢圓參數(shù)沒有影響。極化橢圓率僅受海浪主波長的影響，與雷達入射角和海面粗糙度無關。極化橢圓方向角受雷達入射角和海浪主波長的影響。但當雷達入射角大于一定的角度時，這種影響也被弱化。并得出了各海面