复杂海况海面及目标复合电磁散射特性与影响因素研究

摘要

复杂海况下海杂波信号特征分析在微波遥感、雷达预警探测、海洋参数反演等领域具有重要意义。本文主要研究复杂海况下包括单纯海面、含内波海面、含破碎浪及泡沫海面以及海面与上方目标复合散射问题，建立了复杂海况电大非线性海面及其上方目标复合散射模型，并对其时变多普勒特性和SAR成像进行了模拟，为更快速准确地进行复杂海况海面探测、目标识别、提高雷达性能提供了理论依据和支撑。下面对本文的主要内容及特色作以下概括。 1、利用KdV模型模拟了单孤子海洋内波几何剖面及传播特征，利用变系数Gardner模型考虑高阶非线性项的影响，分析单、双孤子的几何剖面及传播特征。利用波数平衡方程得到了单双孤子内波对海谱的调制作用，从而结合半确定性面元双尺度法模拟了含内波确定性海面的散射特性。分析讨论了不同的内波参数（振幅、跃层深度和密度差）对内波几何特征及散射强度的影响，并对不同的雷达参数（频率和入射角）对内波散射特征的影响进行了分析。此外，还讨论了追赶型和相向型双孤立子内波的传播和散射特征，讨论了扰动项对单、双孤子情况下内波剖面和散射特性的影响。 2、针对小擦地角下“海尖峰”现象，首先分析了单个破碎浪局部散射特征，讨论了多路径效应、Brewster角效应对VV极化的抑制作用对破碎浪绕射系数的影响。结合白冠覆盖率，采用二面角劈模型上覆盖一层随机泡沫粒子建立了含破碎浪及泡沫非线性海面几何模型。基于几何光学近似的射线理论求解破碎浪及其与周围海面的多径散射，利用阻抗劈等效边缘电磁流方法求解劈边的绕射作用，利用矢量辐射传输理论求解海面泡沫层体散射的影响，结合半确定性面元双尺度方法求解了含破碎浪及泡沫海面的后向散射系数及其空间分布特征，对比了不同角度下考虑破碎浪及泡沫与单纯海面散射系数随风速的变化结果，并分析了破碎浪对舰船尾迹散射特征的影响。 3、利用毛细波相位修正法建立时变海面散射场模型，计算出每一时刻下海面的复回波，通过谱估计方法进而获得这一复序列所对应的多普勒谱，通过多样本平均获得其统计特性，并分析了线性海面与非线性海面的多普勒谱变化。此外，给出了直接基于物理特性确定海面回波的多普勒谱形式，利用海面对电磁波的调制作用，获得确定多普勒谱所需的NRCS和方差参数，此方法不依赖于海面网格划分可直接得到回波多普勒谱的统计结果，具有较高的计算效率。 4、分析了海面SAR成像的速度聚束效应，将时变海面模型、海面电磁散射模型与速度聚束效应相结合，对时变非线性海面SAR图像进行了仿真模拟，并模拟了内波扰动下的海面SAR成像，小擦地角下含破碎浪、泡沫海面SAR成像。此外通过对不同时刻下的两幅同场景SAR图像做复相关得到干涉SAR图像，并验证了其在海表面流场探测中的应用。 5、利用基于总场分析的等效边缘电磁流方法，分析了电大尺寸导体目标的散射特性并验证了缩比理论。引入了利用数值匹配技术快速求解阻抗劈绕射系数的方法，推导了阻抗劈等效边缘电磁流，求解了含劈结构涂覆目标的绕射场，并结合物理光学场求解电大涂覆介质目标散射场。利用修正四路径方法，等效边缘电磁流法和破碎浪模型相结合，建立了高海情下电大尺寸海面及介质目标的复合散射模型，分析讨论了不同风速、极化方式下二维海面及其上方简单体、掠海飞行导弹以及舰船目标的复合散射问题。

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第一章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3论文的主要内容及框架结构

1.4论文特色及创新点

第二章 三维海面建模、散射理论及阻抗劈绕射理论

2.1引言

2.2风浪海谱

2.3 时变海面几何建模

2.4复合海面散射理论

2.5阻抗劈绕射理论

2.6本章小结

第三章 海洋内波扰动下电大尺寸海面电磁散射

3.1引言

3.2内波剖面方程及其解

3.3半确定性面元双尺度海面散射机制

3.4受海洋内波扰动的海面电磁散射

3.5本章小结

第四章 含破碎浪和泡沫非线性海面散射

4.1引言

4.2单个破碎浪模型及局部散射特征

4.3电大尺寸非线性海面几何建模

4.4含破碎浪、泡沫电大尺寸海面散射

第五章时变海面多普勒谱分析

5.2 毛细波相位修正法

5.4多普勒谱快速计算模型

5.5本章小结

第六章 复杂海况非线性海面SAR成像分析

6.1引言

6.2时变海面S AR成像机理

6.3非线性海面SAR成像模拟

6.4 沿轨干涉SAR成像仿真与应用

6.5本章小结

第七章 海面及其上方目标复合散射特性

7.1引言

7.2导体/阻抗劈等效边缘电磁流

7.3简单体与海面复合散射

7.4掠海飞行目标散射特征

7.5不同海情海面与舰船复合散射

7.6本章小结

第八章 结束语

参考文献

致谢

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