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三维复杂粗糙海面电磁散射建模研究与特性分析

杨伟  
【摘要】:随机粗糙海面的电磁散射研究在海洋微波遥感、雷达制导与截获、目标识别与特征提取等领域具有重要的理论意义和广泛的应用前景。如何精确有效地分析三维介质粗糙海面的电磁散射特性一直是实际工程应用中关注的问题。本文研究了粗糙海面电磁散射的特殊性和相应处理手段,分别采用近似方法、数值方法和混合方法对粗糙海面散射及其与目标复合散射的相关问题开展了系统的研究。本文的主要研究内容如下: 1.阐述了海面电磁散射的基本理论和关键问题。从雷达方程出发,分析了扩展型粗糙面电磁散射表征方法和二维锥形入射波的参数选取方法;根据Debye公式描述了海水的媒质特性与频率、温度、盐浓度等因素的关系;最后,给出了典型海浪几何模型,包括:风场海浪、内波以及破(碎)波。 2.研究了局部前后向迭代物理光学法及其加速技术在海面散射中的应用。从频域角度出发,将物理光学法(PO)应用于频域电磁场积分方程方法中,计算了相对平坦粗糙海面的散射特性。为了处理复杂粗糙面的电磁散射问题,引入了迭代物理光学法(IPO)来计算海面面元间的电磁耦合作用。算例表明,在计算内存不明显增加的前提下,该方法能有效提高复杂海面的电磁仿真精度。同时,为了加速迭代物理光学法中迭代收敛过程,提出了带有松弛因子的前后向迭代物理光学法(FBIPO),并且在此基础上实现了快速远场近似技术及局部耦合迭代技术,从而显著降低了计算复杂度,进一步提高计算效率。最后,利用上述方法分析了不同粗糙度、不同介电常数等因素对海面散射的影响。 3.研究了多层快速多极子方法(MLFMA)在海面散射中的应用。介绍了MLFMA的实现框架;推导了基于阻抗边界条件(IBC)下的聚合量与配置量;研究了MLFMA在海面散射中的处理方法,包括:海面的截断参数选取;边界效应抑制处理方法等。并且根据海面散射的特点,提出了多种优化技术,包括:阶数可调的高阶叠层矢量基函数来减小计算未知量;稀疏近似逆预条件技术加速阻抗矩阵的迭代收敛过程;三维FFT加速分组间的转移量等,从而有效地解决电大尺寸的海面散射计算问题。最后,采用MLFMA计算了低掠角入射下演进破波的散射特性,从散射机理上分析了雷达回波的海尖峰(Sea Spike)现象以及频谱展宽现象。该方向上的研究能够为复杂三维海面电磁散射仿真提供重要的数据参考。 4.提出了双迭代混合方法来处理海背景下的目标散射问题。结合近似方法与数值方法各自的优点,采用PO/FBIPO和MLFMA分别计算粗糙面、目标体的复合散射,然后通过迭代耦合模型计算两者之间的电磁耦合作用。分别针对简单粗糙海面和复杂粗糙海面,研究了基于各自不同散射特性下的海面几何面积选取规则以及对应的不同电磁仿真方法,从而有效地减小了计算代价。并且采用快速远场近似技术来加速目标与海面间的电磁耦合过程,提高计算迭代效率。 5.根据准静态方法,仿真了不同动态海面变化过程中的雷达时域回波信号,然后采用周期图法分析了简单动态海面的多普勒频移以及Bragg散射,再现了实际雷达工程中的散射现象。 本文对海面电磁散射多种电磁仿真方法进行了深入研究,并在三维海面散射的仿真中证明了上述方法的有效性。本文的工作可以为粗糙海面电磁散射的物理机理解释及电磁仿真工程应用提供很好的数据参考和技术支持。


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