粗糙面和植被电磁散射解析及数值方法研究

摘要

粗糙表面及植被电磁散射理论的研究，作为电磁面散射和体散射的典型代表，因其在气象、海洋、环境、军事等诸多领域的重要应用，成为专家学者们关注的热点。本文针对粗糙面及植被电磁散射的相关解析理论和数值方法进行了较深入的研究工作。 粗糙面的电磁散射的解析理论方面，本文就前人解析模型中对粗糙面斜率的随机分布特性只做了简单近似这一问题，针对介质粗糙面提出了统计斜率基尔霍夫模型，完整地考虑了粗糙面高度和斜率两组随机特性，建立了较为准确的单散射理论模型。该模型引入了表面法向量的联合概率分布函数来表征法向量之间的联合分布规律；为计算散射幅度统计平均中涉及的多重概率积分，模型引入了具有较明确物理意义的协方差矩阵分解机制，并对该分解机制进行了较为完整的理论推导，得到散射功率的分解机制，从而对散射系数表达式中的六重变量积分进行了简化，最终得到散射系数的简单解析表达式。 粗糙面散射数值方法方面，针对Tsang等提出的用于二维粗糙面仿真的稀疏矩阵正则网格方法中存在的对于大粗糙度表面收敛性较差及内存需求大等问题，进行了初步的探讨；编程实现了的该方法，从而为验证解析模型、解决收敛性问题并对数值进行深入研究搭建了仿真平台。 植被电磁散射的方面，本文对作为典型矮植被的大豆的后向散射场的进行了研究，所采用的方法吸取了分支模型和相位幅度修正模型的长处。在建立植株间分布模型时，考虑到大豆植株在栽种时所具有的准周期性的特点，引入了天线阵的方法来描述植株间的分布情况。再次，对于粗糙表面的散射贡献，不同于通常采用的经典基尔霍夫近似模型或小扰动模型，本文采用了的本文提出的统计斜率基尔霍夫模型。而在考虑散射体一地面双径散射机制时，对于涉及粗糙面的反射部分，本文采用了修正的费涅尔反射系数，相比传统的反射系数，能够更好地考虑土壤表面粗糙度的影响。通过仿真结果和实验结果的比较，验证了本文提出模型的正确性。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录、缩略词

第一章前言

1.1研究工作的背景和意义

1.2研究内容

1.2.1粗糙面散射模型

1.2.2植被散射模型

1.3本文主要贡献

1.3.1粗糙面散射解析方法

1.3.2粗糙面散射数值仿真方法

1.3.3植被散射模型

1.4本文章节安排

第二章粗糙面电磁散射的解析方法

2.1引言

2.2传统解析模型

2.2.1小扰动方法(SPM)

2.2.2基尔霍夫近似法(KM)

2.2.3其他解析方法

2.3传统基尔霍夫模型原理

2.3.1表面散射的几何结构

2.3.2表面切向场近似

2.3.3远区散射场和散射系数

2.4统计斜率基尔霍夫模型原理

2.4.1模型涉及的随机变量

2.4.2随机变量的相关性

2.4.3散射功率积分的分解

2.4.4散射系数

2.4.5计算散射幅度的统计平均的相关插值法

2.5统计斜率基尔霍夫模型的仿真及结果

2.6本章小结

第三章粗糙面电磁散射的数值仿真

3.1引言

3.2二维粗糙面数值仿真初始化

3.2.1二维高斯粗糙面及其表面入射场的产生

3.2.2粗糙面散射的磁场积分方程

3.3粗糙面散射的稀疏矩阵正则网格方法(SMCG)

3.3.1格林函数及阻抗矩阵分解机制

3.3.2格林函数泰勒展开式的收敛性

3.3.3 GMRES迭代方法的收敛性

3.3.4泰勒级数收敛性对全局收敛性的影响

3.3.5临界距离rd的选择对收敛性及算法复杂度的影响

3.4 SMCG方法仿真结果

3.5本章小结

第四章植被的电磁散射模型

4.1引言

4.1.1研究植被散射的意义

4.1.2影响植被散射模型的因素

4.1.3常见植被散射模型

4.2植被散射的改进分支模型

4.2.1单个植株的模型

4.2.2一阶散射机制

4.2.3分支模型中的相干效应

4.2.4表征多株相干位置的天线阵方法

4.3改进分支模型的理论仿真及结果分析

4.4本章小结

第五章全文总结

5.1本文主要创新点

5.1.1粗糙面散射解析模型

5.1.2植被散射模型

5.2后续研究工作展望

参考文献

附录

作者攻读硕士学位期间发表会议论文

致谢