三維復雜粗糙海面電磁散射建模研究與特性分析.pdf

1、隨機粗糙海面的電磁散射研究在海洋微波遙感、雷達制導與截獲、目標識別與特征提取等領域具有重要的理論意義和廣泛的應用前景。如何精確有效地分析三維介質粗糙海面的電磁散射特性一直是實際工程應用中關注的問題。本文研究了粗糙海面電磁散射的特殊性和相應處理手段，分別采用近似方法、數(shù)值方法和混合方法對粗糙海面散射及其與目標復合散射的相關問題開展了系統(tǒng)的研究。本文的主要研究內(nèi)容如下：
　　1.闡述了海面電磁散射的基本理論和關鍵問題。從雷達方程出發(fā)，

2、分析了擴展型粗糙面電磁散射表征方法和二維錐形入射波的參數(shù)選取方法；根據(jù) Debye公式描述了海水的媒質特性與頻率、溫度、鹽濃度等因素的關系；最后，給出了典型海浪幾何模型，包括：風場海浪、內(nèi)波以及破（碎）波。
　　2.研究了局部前后向迭代物理光學法及其加速技術在海面散射中的應用。從頻域角度出發(fā)，將物理光學法（PO）應用于頻域電磁場積分方程方法中，計算了相對平坦粗糙海面的散射特性。為了處理復雜粗糙面的電磁散射問題，引入了迭代物理光學法

3、（IPO）來計算海面面元間的電磁耦合作用。算例表明，在計算內(nèi)存不明顯增加的前提下，該方法能有效提高復雜海面的電磁仿真精度。同時，為了加速迭代物理光學法中迭代收斂過程，提出了帶有松弛因子的前后向迭代物理光學法（FBIPO），并且在此基礎上實現(xiàn)了快速遠場近似技術及局部耦合迭代技術，從而顯著降低了計算復雜度，進一步提高計算效率。最后，利用上述方法分析了不同粗糙度、不同介電常數(shù)等因素對海面散射的影響。
　　3.研究了多層快速多極子方法（

4、MLFMA）在海面散射中的應用。介紹了MLFMA的實現(xiàn)框架；推導了基于阻抗邊界條件（IBC）下的聚合量與配置量；研究了 MLFMA在海面散射中的處理方法，包括：海面的截斷參數(shù)選??；邊界效應抑制處理方法等。并且根據(jù)海面散射的特點，提出了多種優(yōu)化技術，包括：階數(shù)可調(diào)的高階疊層矢量基函數(shù)來減小計算未知量；稀疏近似逆預條件技術加速阻抗矩陣的迭代收斂過程；三維 FFT加速分組間的轉移量等，從而有效地解決電大尺寸的海面散射計算問題。最后，采用 ML

5、FMA計算了低掠角入射下演進破波的散射特性，從散射機理上分析了雷達回波的海尖峰（Sea Spike）現(xiàn)象以及頻譜展寬現(xiàn)象。該方向上的研究能夠為復雜三維海面電磁散射仿真提供重要的數(shù)據(jù)參考。
　　4.提出了雙迭代混合方法來處理海背景下的目標散射問題。結合近似方法與數(shù)值方法各自的優(yōu)點，采用PO/FBIPO和MLFMA分別計算粗糙面、目標體的復合散射，然后通過迭代耦合模型計算兩者之間的電磁耦合作用。分別針對簡單粗糙海面和復雜粗糙海面，研究

6、了基于各自不同散射特性下的海面幾何面積選取規(guī)則以及對應的不同電磁仿真方法，從而有效地減小了計算代價。并且采用快速遠場近似技術來加速目標與海面間的電磁耦合過程，提高計算迭代效率。
　　5.根據(jù)準靜態(tài)方法，仿真了不同動態(tài)海面變化過程中的雷達時域回波信號，然后采用周期圖法分析了簡單動態(tài)海面的多普勒頻移以及 Bragg散射，再現(xiàn)了實際雷達工程中的散射現(xiàn)象。
　　本文對海面電磁散射多種電磁仿真方法進行了深入研究，并在三維海面散射的仿真