基于射线追踪的分层粗糙面电磁散射研究

摘要

随机粗糙面的电磁散射在微波遥感，目标探测与识别领域具有显著的学术价值和广泛的应用前景，而自然界中的地海面往往是双层或多层的，因此研究分层粗糙面的电磁散射具有十分重要的应用价值。本文推导了基尔霍夫近似下的一维及二维单层粗糙面的电磁散射及透射，利用射线追踪方法，研究了一维及二维分层粗糙面的电磁散射，并利用一维分层粗糙面电磁散射理论研究了覆盖雪层土壤面以及溢油海面的电磁散射。
　　论文介绍了粗糙面的几何建模，使用线性滤波法模拟了不同统计参量下的一维粗糙面及二维粗糙面；从简谐波满足的亥姆霍兹方程出发，结合边界条件，求解了粗糙面的平均散射强度及透射强度，同时引入基尔霍夫近似，推导了不同极化方式下的散射场及透射场的积分表达式。将生成的一维粗糙面离散为一系列的线段，在远场近似条件下求解了每条线段中点处的平均反射强度和平均透射强度，利用能量守恒定律验证了基尔霍夫方法的正确性，数值计算并分析了粗糙面的粗糙度以及介质的介电常数对双站散射系数和透射系数的影响。
　　论文将射线追踪算法引入到一维分层粗糙面的电磁散射求解当中，数值计算了波在分层介质中传播的入射点、反射点和透射点的位矢及各点之间的相位差，数值计算并分析了平面波入射时一维分层粗糙面的电磁散射随中间层及底层介质的介电常数，中间层介质厚度，粗糙面的粗糙度等的变化。结合土壤和雪的等效介电常数及其随湿度和频率的变化，数值计算并分析了覆有雪层土壤面的电磁散射随雪层及土壤面的粗糙度，土壤湿度及雪层厚度等的变化；利用修正的PM谱模拟覆有油膜的海面轮廓，考虑油膜厚度及风速的变化，对比了不同极化方式下修正海谱与原始海谱的双站散射，证明了修正海谱的有效性。
　　论文将锥形波引入到基尔霍夫近似下的二维粗糙面散射中，推导了锥形波入射下的二维单层粗糙面电磁散射及透射，将生成的二维粗糙面离散为三角面元，求得每个面元中点处的散射场及透射场，数值计算并分析了均方根高度、相关长度、介电常数等对散射系数及透射系数的影响。介绍了应用于二维分层粗糙面的射线追踪方法，给出了反射射线、透射射线方向的判定方法，并介绍了一种射线与三角面元的快速相交测试方法。基于分层粗糙面的几何特性，提出了粗网格细网格法和可行区域搜索算法对射线追踪进行加速，数值计算并分析二维分层粗糙面的电磁散射随中间层以及底层介质的介电常数，中间介质层厚度及粗糙面的粗糙度等的变化。

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第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外发展现状

1.3 论文主要内容及贡献

第二章 粗糙面电磁散射基本理论

2.1随机粗糙面相关知识

2.2 随机粗糙面建模的蒙特卡罗方法

2.3 单层粗糙面的散射和透射

2.4 平均散射强度的推导

2.5 本章小结

第三章 一维分层粗糙面电磁散射

3.1一维单层粗糙面电磁散射与透射

3.2 一维分层粗糙面散射理论

3.3 基于射线追踪的一维分层粗糙面散射

3.4 数值计算结果与分析

3.5 本章小结

第四章 二维分层粗糙面电磁散射

4.1 二维单层粗糙面电磁散射与透射

4.2 应用于二维分层粗糙面的射线追踪算法

4.3 射线追踪的加速算法

4.4 数值计算结果与分析

4.5 本章小结

第五章 实际分层粗糙面电磁散射研究

5.1 覆盖雪层土壤面的电磁散射

5.2 溢油海面电磁散射研究

5.3 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 研究结论

6.2 研究展望

参考文献

致谢

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