多层随机粗糙海面与目标复合散射的分析计算与应用

摘要

粗糙面电磁散射及其与目标的复合散射在海洋遥感领域的应用十分广泛。在进行海洋遥感探测时，我们可以将海面看成随机粗糙面，根据海谱进行海面仿真，从而根据相应的电磁理论可以得到海面的后向散射系数。
　　本文主要使用矩量法(MOM)、时域有限差分法(FDTD)以及矩量法的加速算法快速多极子算法(FMM)三种电磁场数值算法进行了粗糙表面后向散射系数的计算，得到粗糙海面统计参数（例如海面均方根斜率、均方根高度）与后向散射系数的关系。由于海面风速会影响海面的统计参数，从而可以得出风速与后向散射系数关系，为粗糙海面风速反演提供一定的理论支持与依据。其次，本文还研究了海面与目标复合电磁散射，从而为目标探测提供一定的理论依据和参考。
　　本文首先分析了国内外粗糙面散射研究的几种主流的解析算法和数值算法。然后研究了一维高斯谱随机粗糙面建模，分析了几种经典的海谱，在此基础上生成了几种随机粗糙海面。接着详细分析了利用矩量法进行粗糙表面电磁散射求解的方法和原理。在利用矩量法求解的过程中，分别讨论了单层导体粗糙面电磁散射、单层介质粗糙面散射、单层介质粗糙面与目标复合散射以及双层粗糙面电磁散射，并将结果与近似方法基尔霍夫近似法(KA)进行了比较，在各自有效应用范围内，计算结果吻合很好。最后，论文在详细研究和分析时域有限差分法计算粗糙海面电磁散射的方法和原理的基础上，通过编程计算了粗糙海面电磁散射。海面后向散射系数结果与矩量法比较，结果趋势一致，验证了本文粗糙海面后向散射系数计算结果的正确性。由于在计算大尺寸粗糙面电磁散射问题时，矩量法所需要的内存会迅速增大，计算时间也会大大延长，效率低甚至有时无法完成计算。本文引入矩量法的加速算法－快速多极子算法，并利用其进行详细的粗糙海面电磁散射计算，计算结果与矩量法对比，结果符合很好。
　　作为粗糙海面后向散射系数计算的应用，本文在研究高度计风速反演的发展现状以及几种经典的高度计风速反演算法基础上，利用数值方法矩量法进行了不同风速下粗糙海面后向散射与风速的关系研究，并将研究结果与当今几种典型风速反演算法(大都是基于实测数据得到的经验模式)比较，趋势大致一致。由此本文的研究结果可为高度计风速反演提供一定的理论理解和依据，具有实际应用价值。

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第1章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3论文的结构安排

第2章 一维随机粗糙面模型

2.1一维随机粗糙面模型

2.2海谱

2.3本章小结

第3章 应用MOM计算粗糙面电磁散射

3.1矩量法基本原理

3.2一维单层粗糙面散射问题

3.3海面与目标复合散射

3.4一维双层粗糙面散射问题

3.5本章小结

第4章 应用FDTD计算粗糙面电磁散射

4.1 FDTD基本公式

4.2加入PML层

4.3入射波的引入

4.4近远场外推

4.5数值计算与分析

4.6本章小结

第5章 应用FMM计算粗糙面电磁散射

5.1基本原理

5.2 FMM在单层随机粗糙面中的应用

5.3共轭梯度法求解矩阵方程

5.4数值计算与分析

5.5本章小结

第6章 数值计算在高度计风速反演中的应用

6.1卫星高度计发展现状

6.2几种经典的风速反演模式的比较

6.3利用数值方法的风速反演

6.4本章小结

第7章 总结和展望

7.1总结

7.2展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间的科研项目及文章