粗糙海面及其复杂环境下的电磁散射计算与应用研究

摘要

粗糙面电磁散射在环境遥感、雷达成像和地质探测等领域中有着广泛的应用。卫星雷达高度计是一种重要的主动式微波遥感器，通过测量海面的后向散射系数，可以反演海面有效波高(SWH)、海面高度(SSH)以及海面风速等。 然而，在近海岸环境或高海况下，海面的散射系数都会产生衰减，使得高度计的测量数据出现异常，因此研究中国近海岸区域的电磁散射特性以及高海况下白沫和降雨引起的后向散射系数的衰减有十分重大的意义。本文基于粗糙面电磁散射的理论与方法，计算了微波遥感中常见背景目标的散射系数，并利用多种模型计算了白沫和降雨衰减，最后在双频高度计的标准关系中也有所应用。论文的主要工作如下： 1、利用蒙特卡罗方法模拟仿真了一维及二维高斯谱、指数谱、PM海谱、风浪与涌浪叠加谱以及海陆复合随机粗糙面。 2、计算了海水、土壤、海冰、白沫、降雨以及植被的复介电常数，并对它们各自的介电常数的影响因素作了深入的分析。 3、通过矩量法（MOM）和基尔霍夫近似（KA）方法计算了几种典型单层介质粗糙面的散射系数，包括海面、海冰以及陆地。另外，利用MOM计算了海冰-海水两层介质粗糙面的散射系数，并利用本文的新方法计算了飞沫-泡沫-海水三层介质粗糙面的散射系数，计算结果与MOM吻合得较好。 4、根据准镜面电磁散射理论计算了C和Ku波段白沫引起的衰减，同时分别利用ITU-R模型、多层介质散射理论模型、等效介电常数模型以及本文近似模型计算了降雨衰减。 5、通过MOM和KA的数值计算方法，得到了Ku和C波段海面后向散射系数的理论关系，并与四个经验参考关系进行了验证与分析。

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