動態(tài)海面電磁散射與多普勒譜研究.pdf

1、海面電磁散射特性研究在海洋遙感、海洋預(yù)警及海上目標(biāo)檢測與識別等領(lǐng)域有著十分重要的研究價值。本文對海面電磁散射特性研究領(lǐng)域的相關(guān)問題開展了系統(tǒng)的研究工作，重點進(jìn)行了動態(tài)海面電磁散射建模和海面回波信號多普勒譜特性分析。論文主要工作和研究成果如下：
　　 對傳統(tǒng)的復(fù)合表面模型(CSM)進(jìn)行了相關(guān)改進(jìn)，提出了優(yōu)化的復(fù)合表面模型(RCSM)。模型中增加了基爾霍夫近似(KA)幾何光學(xué)解的附加項來提高近垂直入射鏡向區(qū)內(nèi)計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。針對復(fù)

2、合海面中大尺度波浪部分和小尺度部分對總體散射結(jié)果的貢獻(xiàn)隨海況和散射條件的變化而變化的實際情況，從優(yōu)化的復(fù)合散射模型中分量模型的成立條件出發(fā)，給出了基于風(fēng)速和入射電磁波頻率的截斷波數(shù)的計算方法。結(jié)合考慮了海面斜率分布的非高斯效應(yīng)、面元之間的遮擋效應(yīng)以及中到大尺度海浪的曲率調(diào)制作用等優(yōu)化方法，提高了優(yōu)化模型計算結(jié)果的有效性和準(zhǔn)確性。
　　 鑒于復(fù)合表面模型中劃分海浪尺度的截斷波數(shù)選擇的不確定性，提出了按照具體局部面元散射角的劃分來選

3、擇相應(yīng)的電磁散射計算模型的角度截斷復(fù)合表面模型(ACCSM)，針對不同海況下的具體二維復(fù)合尺度海面樣本進(jìn)行相應(yīng)的快速電磁散射建模。與傳統(tǒng)復(fù)合表面模型相比，該模型能夠根據(jù)每一個具體面元的散射特性靈活處理該面元對總散射場的貢獻(xiàn)。計算了L-Ku波段等多波段下不同風(fēng)速時的二維介質(zhì)海面同極化和交叉極化散射系數(shù)，通過比較發(fā)現(xiàn)，ACCSM與相應(yīng)波段的實測數(shù)據(jù)結(jié)果吻合良好。與相同計算條件下的RCSM比較發(fā)現(xiàn)ACCSM具有更高的計算效率。
　　

4、基于線性和非線性海面幾何模型與粗糙面電磁散射計算模型相結(jié)合的方法，對比研究了線性與非線性海面的幾何統(tǒng)計特征和電磁散射特性。計算了線性與非線性海面的后向散射系數(shù)和雙站散射系數(shù)，分析了雷達(dá)參數(shù)和海環(huán)境參數(shù)以及非線性作用對散射系數(shù)的影響。對計算結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)波浪間的非線性作用對散射系數(shù)的影響主要體現(xiàn)在非鏡向散射方向，而非線性海面的散射系數(shù)要略大于對應(yīng)的線性海面散射系數(shù)。
　　 針對動態(tài)海面具有比靜態(tài)海面更復(fù)雜的散射機(jī)理需要進(jìn)行相應(yīng)的

5、詳細(xì)解釋和準(zhǔn)確處理，通過引入錐形入射場并采用小斜率近似(SSA)模型計算研究動態(tài)海面后向散射回波信號的多普勒譜特性。分析了入射角、入射波頻率、極化方式、海面介電特性、風(fēng)速、風(fēng)向等雷達(dá)參數(shù)和海環(huán)境參數(shù)以及非線性作用對多普勒頻移和譜展寬的影響。計算結(jié)果表明，非線性作用對動態(tài)海面回波多普勒譜特性的影響不容忽視。分析計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，一階SSA(SSA-1)計算得到的垂直極化和水平極化多普勒譜相同，而二階SSA(SSA-2)則能有效地反映不同極化下

6、的譜差異。基于與數(shù)值方法計算結(jié)果的對比，可以發(fā)現(xiàn)SSA-2能夠在定量的基礎(chǔ)上準(zhǔn)確地反映不同極化下動態(tài)海面回波信號多普勒頻移和展寬變化特性，體現(xiàn)了其在動態(tài)海面回波多普勒譜特性分析中的可行性。
　　 結(jié)合流體動力學(xué)理論和有限水深海譜模型，在無限深海面建模的基礎(chǔ)上建立有限深度水域海面的幾何模型，通過計算相關(guān)海面統(tǒng)計參數(shù)，比較分析有限深度水域海面和無限深海面在統(tǒng)計特性方面的差異。采用SSA-2對有限深度水域動態(tài)海面電磁散射及回波多普勒譜