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VHF/UHF波段树干超宽带特性和建模方法研究

谭怀英  
【摘要】: 本文运用时域有限差分法(FDTD算法)在时域对FOPEN(穿透叶簇)研究中的树干进行仿真建模,研究其超宽带散射特性,在此基础上可以建立树的后向散射模板,对叶簇下目标进行SAR成像时,此模板可以减小树对目标的干扰。 在VHF/UHF低频段,由于树冠对入射脉冲波近似“透明”,因此树散射的物理模型被简化为树干散射的物理模型。本文深入研究了树干散射的数学模型,通过比较时频两种算法的性能,指出频域矩量法在建立树干散射数学模型时的不足,得出了时域有限差分法更适合于树干超宽带散射特性研究的结论。 文中对时域有限差分法用于计算树干散射的一般理论进行了研究。主要包括用于有耗土壤和树干计算的频率相关FDTD算法-(FD)~2TD,以及吸收土壤凋落波的GPML吸收边界,确立了树干散射的时域算法模型。 具备了电磁散射算法的理论基础后,下一步便开展了FDTD算法在FOPEN中的应用研究,即对树干在时域进行仿真建模。通过分析发现,时域FDTD算法在本模型运用过程中存在两大难点:第一,树干的复合激励源设置;第二,树干散射时域近远场变换。 针对以上难点,作者给出了解决此难点的新方法,该方法具体为以下四个步骤:其一,在二维大空间中进行FDTD计算,求解土壤散射场;其二,在三维FDTD计算空间,求解树干的近区散射场;第三步,在土壤上方选取一包围树干的半封闭源面,对该源面上的等效电流源和磁流源进行近远场变换,获得远区时域散射特性;最后,对远区时域场作快速傅立叶变换,得出整个宽频带的雷达散射截面。由于第三步中近远场时域变换是在半封闭源面,而非通常的封闭源面上进行的,其可靠性在文中给予了验证。 在深入分析新方法的可行性基础上,对树干散射进行仿真建模。按照新方法的四个步骤计算地面上树干的散射,得出了仿真建模的数值结果,并与美国Duke大学的仿真结果进行了对照,二者吻合良好,证明了新方法的有效性和优越性。 文章最后介绍了其它相关的研究工作。首先提出了一种新的吸收边界条件-驻波行波边界条件(STWBC),并与其它边界在内存需求,计算速度上进行了比较。然后,对适用于有耗媒质的GPML边界条件的应用开展了深入研究,对脉冲雷达探测地下管道和测量高速公路沥青层厚度进行了FDTD算法模拟。此外,还对获得的树干远区散射场数据利用后向投影算法(B-P算法)实现了树干成像。最后,展望了本课题的研究前景。


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