粗糙海面电磁散射的小斜率近似方法

利用小斜率近似方法研究了粗糙海面的电磁散射特性,推导了极坐标下小斜率近似方法的双站散射系数计算公式.基于Elfouhaily海谱模型,计算了海面的散射系数,将得到的理论计算结果和实验数据及考虑和不考虑遮蔽效应的基尔霍夫近似结果进行了对比.讨论了不同极化状态下小斜率近似方法的后向散射系数随入射波频率和风速的变化关系.结果表明,在后向散射情况下,理论计算结果和实验数据吻合很好;在双站散射情况下,在大散射角时小斜率近似的结果更为准确;无论是何种极化,后向散射系数均随入射波频率和风速的增大而增大.     

二维纹理特征指数谱粗糙面的极化散射

研究了具有纹理特征的二维指数谱粗糙面的极化散射特性。在两个方向上相关长度的比值足够大时指数谱粗糙面表现为条纹特征,而在比值接近为一时又表现为方格特征。这两种视觉特征又可以通过傅里叶变化旋转得到不同的纹理角效果。通过粗糙面的小面元积分,推导出椭圆极化入射时笛卡尔坐标系下的散射场,并得到了不同纹理特征指数谱粗糙面的极化散射。结果显示极化散射特性的研究对利用遥感信息提取粗糙面的纹理特征具有重要意义。     

分层粗糙面的电磁散射研究

基于矩量法（method of moment,MOM）及基尔霍夫近似（Kirchhoff approximation,KA）研究了分层粗糙面的电磁散射问题。首先,利用经典MOM求解了上层粗糙面的总场,包括直接入射场及由其激发的直接散射场。然后,将锥形入射波引入到传统KA中,利用其求解了分层粗糙面的透射场。数值计算并讨论了粗糙面高度起伏均方根、相关长度及分层粗糙面间距等参数对分层高斯粗糙面双站散射系数的影响。     

MPI并行矩量法计算二维粗糙面波束电磁散射

通过有限脉冲响应滤波器理论和快速傅里叶变换方法,模拟了二维高斯随机粗糙面。从电场积分方程出发,利用RWG (Rao-Wilton-Glisson)基函数矩量法结合Galerkin方法,在PC集群并行平台上研究了二维导体高斯粗糙面对波束的电磁散射特性。为使得PC集群信息传递接口(message passing interface, MPI) 并行平台上各参与运算的各进程的负载平衡,对整个阻抗矩阵按行分块,并详细讨论了并行共轭梯度法求解矩量法矩阵方程的并行实现过程。最后在PC集群MPI并行平台上进行数值实验,分析了在波束入射条件下,均方根高度、相关长度和极化方式对二维导体高斯粗糙面的电磁散射特性的影响。     

海面角反射器的极化旋转域特性研究

海面角反射器是反舰导弹的主要诱骗干扰手段之一。研究海面角反射器的极化散射特性具有重要的军事应用价值。极化旋转域解译方法能够有效挖掘目标散射多样性中蕴含的丰富散射信息。本文利用极化相关方向图解译工具分析了典型三面角和二面角结构的极化旋转域特性差异。在此基础上以八面体角反射器和二十面体角反射器为研究对象, 分析了角反射器极化旋转域特征随方位角、频率以及海况等级的变化情况, 揭示了海面角反射器极化旋转域特性演化规律。通过特征提取, 研究发现极化相关度、极化相关起伏度、极化相关特征最小值、极化相关对比度和极化相关特征反熵敏感于舰船目标和角反射器干扰的极化散射差异。研究工作为角反射器干扰的抑制和鉴别提供了关键技术支撑。     

地海交界分区域复合粗糙面建模及电磁散射特性研究

研究了地海交界分区域复合粗糙面的建模方法及其电磁散射特性。采用蒙特卡罗方法建立地海交界分区域复合粗糙面模型,采用高斯谱模拟实际地面,采用变浅系数与北海联合海浪计划(joint north sea wave project, JONSWAP)谱结合而成的有限水深海谱模拟实际近海海面,基于分区域复合粗糙面建模理论,运用多种加权反正切函数处理实现了线型、月牙型、峡谷型自然环境。考虑了各介质区域内部的面元耦合以及区域之间和交界处面元的耦合作用,对地海交界分区域复合粗糙面的散射问题,提出了一种基于分区域面元的迭代物理光学法,采用快速远场近似（fast far field approximation, FaFFA）与局部耦合技术加速其迭代过程。对比了陆地粗糙面、海面和地海交界分区域复合粗糙面的电磁散射特性,计算了分区域复合粗糙面的散射系数,并讨论了极化方式、入射角、边界形状、陆地粗糙面的均方根高度、相关长度和近海海面的风速对地海交界分区域复合粗糙面电磁散射特性的影响。基于迭代物理光学法所获取的分区域复合粗糙面总散射场,采用正侧视条带式成像模式,选用距离多普勒算法对不同特点的地海分区域复合粗糙面进行合〖JP2〗成孔径雷达(synthetic aperture radar, SAR)成像,并讨论了陆地粗糙面与海面各自的相对介电常数对SAR成像的影响。该研究包括了地海交界环境的建模、电磁散射特性的求解及其SAR成像,由仿真结果得到了地海交界分区域复合粗糙面的SAR像特点,对反演地海交界环境的电磁特性以及遥感、探测具有借鉴意义。     

计算粗糙地面下方埋藏目标复合散射的E-PILE+BMIA/CAG算法

为快速获取电大尺寸随机粗糙面下方埋藏目标的电磁散射特性,基于层内波传播展开法（propagation-inside-layer-expansion, PILE）和带状矩阵迭代及规范网格法（banded matrix iterative approach canonical grid,BMIA/CAG）,提出了结合带状矩阵迭代及规范网格法的扩展层内波传播展开法（E-PILE+BMIA/CAG）。数值计算过程中,以高斯随机粗糙面模拟实际地表面,并引入锥形入射波以减小人为截断粗糙面所引起的计算误差。为验证算法的有效性和收敛性,计算了一维介质粗糙面下方埋藏无限长二维介质圆柱目标的散射特性,研究了目标与粗糙面之间的相互作用,并与已有算法结果进行比较。最后计算了大入射角情况时地面下方埋藏目标的复合散射特性。该研究成果对于目标探测等领域具有一定的理论指导价值。     

基于极化状态提取的极化SAR图像变化检测算法

极化合成孔径雷达(polarimetric synthetic aperture radar, PolSAR)图像中同一目标在不同时相下的散射特性会因数据采集条件的变化而发生变化,从而影响变化检测结果的正确性。针对这一问题,提出了一种基于极化状态提取的极化SAR图像变化检测算法。首先利用不变样本目标提取图像的最优极化状态,并将此极化状态下的接收功率比值作为变化检测特征量,最后利用双阈值判别方法提取变化区域实现变化检测。利用美国UAVSAR系统采集的全极化SAR实测数据进行实验,结果表明,本文算法能有效检测出地物的变化情况,且检测虚警少、轮廓清晰。     

椭圆极化前馈抛物面天线的焦场分析

在大型反射面天线中,研究焦面场的分布对于合理设计与配置馈源或馈源阵列具有指导意义。采用物理光学法,推导了平面入射波为椭圆极化、斜入射时,前馈抛物面天线的焦平面、及与焦面平行的平面上的电场计算公式。并以我国计划建造的500 m口径球面反射天文望远镜(FAST)为实例,计算了其焦面场并得到结论:入射波的极化方式主要影响焦场的极化,而对场强分布影响不大。     

分形海面及其上方目标电磁散射的混合算法

采用一维带限Weierstrass分形粗糙海面模拟实际的粗糙海面,运用基于矩量法(method of moment, MOM)结合基尔霍夫近似(Kirchhoff approximation, KA)的混合算法,研究了分形海面与上方需考虑旋转的复杂矩形截面导体柱的复合电磁散射。将不同入射角情形下的混合算法计算结果与传统的MOM结果进行了比对,结果表明该混合算法具有较高的准确性和计算效率。最后,讨论了复合散射系数与粗糙海面参数、目标参数以及入射波参数之间的依赖关系,得到了较完整的复合电磁散射特征。     

角度截断双尺度模型模拟粗糙海面后向散射特性

针对传统双尺度法中尺度截断波数的选取尚无统一标准可依的情况,提出了一种基于局部入射角划分来选择相应的海面电磁散射计算方法的角度截断双尺度模型：局部入射角小于限定角（约为20°）时,使用基尔霍夫近似计算占主导的镜反射分量;当局部入射角大于限定角时,用微扰法处理小尺度粗糙度所支配的漫射分量。该模型充分利用了基尔霍夫近似和微扰法各自的优点,同时避免了选取截断波数的棘手问题。应用该模型计算并讨论了风速、极化状态以及风向对后向散射系数的影响,并与实验数据进行了比较,取得了较好的吻合,证明了该模型的有效性。     

地海交界环境与其上方双目标复合散射的混合算法研究

采用蒙特卡罗方法建立地海交界分区域复合粗糙面模型,陆地区域采用高斯谱模拟,近海海面区域采用基于变浅系数的北海海浪工程(joint North Sea wave project, JONSWAP)谱模拟;提出了基于分形理论的边界赋形方法,并运用多种反正切权函数处理实现了线型、月牙型、峡谷型和分形型边界的地海交界环境;基于矩量法和基尔霍夫近似的混合算法研究了地海交界环境与其上方双目标的复合电磁散射特性,对比了双目标分别位于两种典型环境和地海交界环境上方时的复合散射系数曲线,研究了复合散射系数随入射角、陆地区域参数、海面参数、边界形状、双目标参数及双目标类型的变化情况,并做了详细分析与讨论。结果表明该混合算法的高效性和准确性,数值仿真结果对地海交界环境上方目标的探测、遥感及成像具有借鉴意义。     

Simulation research on scattering characteristics by complex targets

A simulation approach based on a full-wave numerical method is presented to study electromagnetic characteristics by complex targets. How to validate simulation results is considered thoroughly under no analytical and measured data, where a double-check criterion is designed for our simulation approach. As an example, the scattering of F-117A is studied by using our simulation approach under all polarizations, different frequency bands, incident and scattering directions, etc., some of which, such as cross-polarization, bistatic RCS, have not been considered in the previous literature.     

二维粗糙面的多次散射和遮蔽效应研究

利用基尔霍夫近似研究了表面均方根斜率较大的二维粗糙面的多次散射问题。在多次散射理论中,随机粗糙面的总散射功率不仅与单次散射波有关,而且还取决于多次散射波。通过将格林函数做平面波展开的方法,二阶散射系数分解成与同向波和反向波有关的两部分,同向和反向分别是按单次散射场和其共轭场的耦合方式而划分的两种不同情况。引入考虑多次散射的遮蔽函数来修正掠入射情况下的散射系数,并将计算范围扩展到均方根斜率各向异性的二维粗糙面。将考虑多次散射的数值计算结果与前后向迭代方法的数值结果做了比较,两种方法的计算结果基本一致。