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海上目标短波散射特性理论与数值研究

李清亮  
【摘要】: 本文研究海上复杂目标的地波散射特性。目标位于由海水和大气构成的两媒质 半空间中,海面有平直(短距离)和弯曲(视距外)之分,而且还要考虑随机起伏 海浪的影响。研究内容涉及电波传播和电磁散射理论分析和数值计算两个领域。作 者所做工作及主要研究成果如下: (1)研究了FDTD方法在求解两媒质半空间散射问题中的应用。提出了入射波解 析设置时的约束条件,利用该条件可以实现非均匀、非平面波的准确设置。研究了 Mur吸收边界条件和推广完全匹配层(GPML)吸收边界在有耗媒质半空间中的应 用。分别用Green函数和互易原理两种方法导出了近—远场外推公式,并对该公式 的适用条件进行了讨论。 (2)基于地波沿随机粗糙面传播的Barrick理论,研究了等效归一化表面阻抗积 分的数值计算方法,并对Rotheram地波场计算公式进行修正。在地波程序GRWAVE 的基础上,考虑了随机粗糙海面的影响编制了程序GRWAVE1,该程序既可计算地 波场幅度又可计算其相位。讨论了地波衰减因子的计算方法。 (3)提出了求解海上目标地波散射特性的近似方法:散射传播分离法。利用该 方法对某型号舰船后向散射截面进行了理论计算和分析,经过与Barnum半经验公 式得到的结果以及实际测量值对比,符合很好。并对目标与海浪间的相互作用对后 向散射截面的影响进行了模拟研究。 (4)提出了求解海上低空目标后向散射特性的一种简单有效方法:海面一次反 射近似法。只要对目标在自由空间中的双站散射场进行计算,即可得到海面上任意 高度处目标后向散射截面。此外,还提出了目标表面感应电流的等效偶极子模型, 利用该模型只需对一个特定高度处的一次反射波进行计算,其它高度处的反射波可 解析给出,这不仅节省大量的计算时间而且更便于工程应用。数值例子验证了近似 方法及等效偶极子模型的可行性。把近似方法及等效偶极子模型应用于自由空间 FDTD方法中并结合散射传播分离法,计算得到了某型号飞机在海上不同高度时的 后向散射截面。 (5)利用互易原理和平直有耗地面King et al.的垂直电偶极子地波场公式,以及 球形地面Rotheram的留数级数公式导出了求解目标地波散射远场的FDTD近—远场 外推公式,并用偶极子模型对该公式的计算精度进行了验证。这种外推方法为检验 散射传播分离法的计算精度提供了严格而有效的手段。


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