動態(tài)海面電磁散射與多普勒譜研究.pdf

1、海面電磁散射特性研究在海洋遙感、海洋預警及海上目標檢測與識別等領域有著十分重要的研究價值。本文對海面電磁散射特性研究領域的相關問題開展了系統(tǒng)的研究工作，重點進行了動態(tài)海面電磁散射建模和海面回波信號多普勒譜特性分析。論文主要工作和研究成果如下：
　　 對傳統(tǒng)的復合表面模型(CSM)進行了相關改進，提出了優(yōu)化的復合表面模型(RCSM)。模型中增加了基爾霍夫近似(KA)幾何光學解的附加項來提高近垂直入射鏡向區(qū)內計算結果的準確性。針對復

2、合海面中大尺度波浪部分和小尺度部分對總體散射結果的貢獻隨海況和散射條件的變化而變化的實際情況，從優(yōu)化的復合散射模型中分量模型的成立條件出發(fā)，給出了基于風速和入射電磁波頻率的截斷波數(shù)的計算方法。結合考慮了海面斜率分布的非高斯效應、面元之間的遮擋效應以及中到大尺度海浪的曲率調制作用等優(yōu)化方法，提高了優(yōu)化模型計算結果的有效性和準確性。
　　 鑒于復合表面模型中劃分海浪尺度的截斷波數(shù)選擇的不確定性，提出了按照具體局部面元散射角的劃分來選

3、擇相應的電磁散射計算模型的角度截斷復合表面模型(ACCSM)，針對不同海況下的具體二維復合尺度海面樣本進行相應的快速電磁散射建模。與傳統(tǒng)復合表面模型相比，該模型能夠根據每一個具體面元的散射特性靈活處理該面元對總散射場的貢獻。計算了L-Ku波段等多波段下不同風速時的二維介質海面同極化和交叉極化散射系數(shù)，通過比較發(fā)現(xiàn)，ACCSM與相應波段的實測數(shù)據結果吻合良好。與相同計算條件下的RCSM比較發(fā)現(xiàn)ACCSM具有更高的計算效率。
　　

4、基于線性和非線性海面幾何模型與粗糙面電磁散射計算模型相結合的方法，對比研究了線性與非線性海面的幾何統(tǒng)計特征和電磁散射特性。計算了線性與非線性海面的后向散射系數(shù)和雙站散射系數(shù)，分析了雷達參數(shù)和海環(huán)境參數(shù)以及非線性作用對散射系數(shù)的影響。對計算結果進行分析發(fā)現(xiàn)波浪間的非線性作用對散射系數(shù)的影響主要體現(xiàn)在非鏡向散射方向，而非線性海面的散射系數(shù)要略大于對應的線性海面散射系數(shù)。
　　 針對動態(tài)海面具有比靜態(tài)海面更復雜的散射機理需要進行相應的

5、詳細解釋和準確處理，通過引入錐形入射場并采用小斜率近似(SSA)模型計算研究動態(tài)海面后向散射回波信號的多普勒譜特性。分析了入射角、入射波頻率、極化方式、海面介電特性、風速、風向等雷達參數(shù)和海環(huán)境參數(shù)以及非線性作用對多普勒頻移和譜展寬的影響。計算結果表明，非線性作用對動態(tài)海面回波多普勒譜特性的影響不容忽視。分析計算結果發(fā)現(xiàn)，一階SSA(SSA-1)計算得到的垂直極化和水平極化多普勒譜相同，而二階SSA(SSA-2)則能有效地反映不同極化下

6、的譜差異?；谂c數(shù)值方法計算結果的對比，可以發(fā)現(xiàn)SSA-2能夠在定量的基礎上準確地反映不同極化下動態(tài)海面回波信號多普勒頻移和展寬變化特性，體現(xiàn)了其在動態(tài)海面回波多普勒譜特性分析中的可行性。
　　 結合流體動力學理論和有限水深海譜模型，在無限深海面建模的基礎上建立有限深度水域海面的幾何模型，通過計算相關海面統(tǒng)計參數(shù)，比較分析有限深度水域海面和無限深海面在統(tǒng)計特性方面的差異。采用SSA-2對有限深度水域動態(tài)海面電磁散射及回波多普勒譜