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海面及舰船尾迹电磁散射的角度复合面元算法研究

汪小君  
【摘要】:鉴于雷达系统分辨率不断提高及军民领域对海面实时监控需求增加,海面散射研究的重点已经转变为多因素影响下的海面散射研究,例如尾迹与海面或海上目标与海面等复杂场景散射研究。由于海表结构复杂且实时变化,海面和海面及尾迹复合场景电磁散射的仿真计算具有以下难点:其一,如何建立更精确的海面几何及舰船尾迹模型,使其能更好的刻画海面的细微结构,并使尾迹与海面的叠加更合理;其二,如何建立一种精确的面元散射算法以满足海面遥感日益精确化的需求,使其能给出面元化散射结果并提高准确率;其三,在考虑舰船尾迹对海面高度起伏分布影响的情况下,如何量化湍流尾迹中大量泡沫引入的体散射对海面散射及尾迹散射的影响。因此,本文系统地研究了海面及尾迹的角度复合面元算法,并对不同海面场景的散射进行了分析。首先,阐述了利用海谱理论对海面进行几何建模的两种典型方法——Monte Carlo线性海面生成法和Creamer非线性海面生成法,并对两种方法生成的海面样本进行了特征分析,发现非线性海面具有更多的细节特征。基于Kelvin尾迹和湍流尾迹的形成机理,对这两种尾迹的形态进行了描述和仿真呈现,发现Kelvin尾迹随风速增大而逐渐被海面背景噪声所淹没,而湍流泡沫尾迹则只会衰减。其次,基于散射区域的划分和散射贡献面元化思想,提出了一种考虑遮挡效应的角度复合面元算法(ACFM)。该算法能给出海面每个独立小面元的散射结果,其中的电磁遮挡算法能从几何角度来解决海面的遮挡效应,将自遮挡与互遮挡作用分开分析。利用此算法分析了海面的散射机制,讨论了频率、角度、风速及遮挡因子对二维海面后向散射的影响。结果表明,互遮挡效应比自遮挡效应更显著,在大入射角度下不可忽略其影响。ACFM的仿真结果与实测值吻合良好,算法有效可行。最后,结合辐射输运理论(VRT)、Mie理论与ACFM算法,利用泡沫层反射率及海表泡沫覆盖率,仿真分析了含泡沫层海面的散射特性,并与实测值进行对比,验证了泡沫海面模型的有效性。利用ACFM对Kelvin尾迹与海面叠加的情形进行了分析,然后在此基础上对湍流尾迹的散射进行了试探性研究。结果表明,泡沫层体散射对海面和湍流尾迹的散射都具有散射增强效应。


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