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粗糙面电磁散射及其与目标的复合散射研究

任新成  
【摘要】: 粗糙表面及粗糙面与目标的复合电磁散射研究在微波遥感、雷达成像、海洋工程、无线通信、表面光学和半导体物理等领域均具有重要的实际应用。本论文就粗糙面电磁散射及其与目标的复合散射中的若干问题开展了系统的理论研究工作。论文首先研究了随机深粗糙度表面、分层介质微粗糙面的电磁散射及粗糙面、分层介质微粗糙面电磁波透射散射。然后将分层介质微粗糙面电磁散射和透射散射的理论运用到海面,研究了基于P-M谱的二维各向异性分层海面、改进的二维分形模型分层海面的电磁散射和透射散射。最后研究了粗糙面与其下方和上方目标的复合电磁散射问题。主要工作和成果如下: 1.根据格林矢量第二定理推导出了平面波入射粗糙面时远区场的数学表达式,进一步运用基尔霍夫驻留相位近似法得到了深粗糙度高斯粗糙面双站散射系数计算公式,通过数值计算讨论了深粗糙度高斯粗糙面双站散射系数随介质介电常数、粗糙面相关长度和均方根、入射波频率的变化。 2.运用微扰法研究了平面波入射分层介质微粗糙面的电磁散射和透射散射、导出了不同极化状态下的散射和透射系数公式。分别采用高斯和指数型粗糙面来模拟实际微粗糙面,结合它们的功率谱得到了分层介质散射和透射系数计算公式。通过数值计算讨论了底层介质介电常数、中间层介质介电常数和厚度、粗糙面相关长度及均方根、入射波频率对散射和透射系数的影响,分析了两种类型分层介质微粗糙面的电磁散射和透射散射特性。 3.从格林矢量第二定理出发,基于微扰法、基尔霍夫驻留相位近似法和基尔霍夫标量近似法分别研究了高斯粗糙面的透射散射问题。数值计算得到了不同极化状态下透射系数随散射角、散射方位角及入射波频率的变化,讨论了介质介电常数、粗糙面相关长度和均方根、入射波频率对不同极化状态透射系数的影响。 4.运用分层介质微粗糙面电磁散射和透射散射理论,结合海面P-M谱与改进的分形海面模型导出了二维分层海面散射系数和透射系数计算公式,数值计算并讨论了双站散射系数和透射系数随中间介质介电常数和厚度、摩擦风速、风区范围、观察方向与逆风方向之间夹角和入射波频率的变化,得出了双站散射系数和透射系数的基本特征、分区特征和随频率变化的特征。 5.利用矩量法研究了一维高斯和指数型介质粗糙面与其下方二维导体圆柱的复合电磁散射;数值计算并讨论了不同粗糙面相关长度和均方根、粗糙面下方介质的介电常数、导体圆柱埋藏深度、导体圆柱半径下复合散射系数的变化特征。基于矩量法结合近似解析法基尔霍夫近似的混合算法分析了一维导体粗糙面与其上方具有任意形状截面的二维导体目标的复合电磁散射特性,给出了MOM用于求解粗糙面与其上方目标的复合散射的基本原理,通过数值计算讨论了粗糙面相关长度和均方根、导体圆柱半径和高度对复合散射系数的影响。


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