二維分形海面多極化電磁散射特性.pdf

1、1982年，Mandelbrot出版《自然界的分形幾何》這一著作之后，分形這個(gè)概念便在全球不脛而走，迅速深入很多科學(xué)領(lǐng)域。Mandelbrot不僅提供了自然界中許許多多的分形圖像，還為混沌提供了必須的語言。分形幾何學(xué)為描述復(fù)雜現(xiàn)象和探索物質(zhì)世界的復(fù)雜機(jī)制提供了簡潔的工具，從此分形在各個(gè)領(lǐng)域大顯身手，受到各行各業(yè)科學(xué)家的強(qiáng)烈重視。 目前海面的電磁散射是人們研究的熱點(diǎn)之一，分形不可避免的被應(yīng)用于粗糙海面的電磁散射研究，其重大意義在于

2、：1.對(duì)諸如多徑散射和雜波的研究，有助于提高雷達(dá)系統(tǒng)和通訊的性能。 2.能夠推動(dòng)諸如海面特征、海面合成孔徑雷達(dá)成像(SAR)環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用的發(fā)展以及便于海洋交通管理。 3.能夠解釋一些海面的物理現(xiàn)象，例如，海浪流體動(dòng)力學(xué)演化、海氣界面的能量交換、海表面流分析等。 近年來，F(xiàn).Berizzi等人對(duì)分形海面建模以及分形分析和海浪譜分析貢獻(xiàn)較大。在第三章我們重點(diǎn)介紹F.Berizzi等人提出的一維和二維分形海面模型。另外

3、通過研究發(fā)現(xiàn)：不論是對(duì)于一維分形海面模型還是二維分形海面模型，當(dāng)b值增大，而粗糙度S不變時(shí)，圖形越粗糙。當(dāng)b值不變，而粗糙度S變大時(shí)，圖形看起來越粗糙?？梢?，不僅S的大小控制著海面模型的粗糙程度，而且b值也影響海面模型的粗糙程度。 為了研究多極化海面電磁散射特性，在第四章，我們利用惠更斯原理，采用kirchhoff近似和F.Berizzi等人提出的海面散射分形理論及模型，推導(dǎo)出了在無陰影影響和無多次散射、任意電導(dǎo)率情況下的二維分

4、形海面在笛卡兒坐標(biāo)系下的散射場、散射系數(shù)、雷達(dá)截面(RCS)、坡印亭矢量以及局部坐標(biāo)下的散射系數(shù)矩陣模型，數(shù)值計(jì)算了不同方位的不同極化下的雷達(dá)截面。結(jié)果表明我們的理論模型下的結(jié)果與其他文獻(xiàn)結(jié)果相吻合，同時(shí)給出了二維分形海面的不同方位下接收信號(hào)的數(shù)值模擬結(jié)果。雖然我們?cè)诶碚撋蠈?dǎo)出去極化散射系數(shù)表達(dá)式，但數(shù)值結(jié)果表明任何方位接收信號(hào)，海面去極化影響是完全可以忽略的，但交叉極化不能忽略。 在第五章中，利用第四章推導(dǎo)出來的散射系數(shù)矩陣，

5、我們數(shù)值計(jì)算了多極化雷達(dá)散射截面，通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)：在HH極化和VV極化狀態(tài)下，隨著入射角的增大，歸一化海面后向散射截面近似指數(shù)關(guān)系衰減。VV極化和HH極化狀態(tài)下，海面雷達(dá)后向散射截面均隨雷達(dá)頻率增大而增加。四種極化方式下的雷達(dá)后向散射截面隨入射角和風(fēng)向的分布相同。當(dāng)θ1確定，θ2從-90°變化至90°時(shí)，雙站雷達(dá)截面最大值出現(xiàn)在θ2=θ1處，且雷達(dá)截面隨著|θ2-θ1|的增大而減小。另外，我們還發(fā)現(xiàn)根據(jù)F.Berrizzi等人推導(dǎo)的海

6、面電導(dǎo)率為無窮大時(shí)的散射系數(shù)計(jì)算出來的雷達(dá)截面值要比利用我們建立的有限電導(dǎo)率分形海面散射系數(shù)計(jì)算出來的雷達(dá)截面值要大一些，這是因?yàn)镕.Berrizzi等人考慮的情形是海水電導(dǎo)率為無窮大，電磁波在海面的趨膚深度為零，這樣照射在海面上的散射回波沒有損耗，而實(shí)際海水的電導(dǎo)率是有限的，電磁波在海面上的趨膚深度并不為零，照射在海面上的電磁波必有損耗。通過理論和數(shù)值結(jié)果的比較，得到接收天線極化矢量和發(fā)射天線極化矢量的相對(duì)位置的不同決定了σhh與σv

7、v的關(guān)系以及σhv與σvh的關(guān)系的結(jié)論，并從理論上分析出了σhh與σvv的關(guān)系，還求出了臨界值θc1和θc2。 在第六章中，我們數(shù)值計(jì)算了被考察區(qū)域海面的共極化信號(hào)。通過比較不同海面參數(shù)對(duì)于極化橢圓參數(shù)的影響，得出如下結(jié)論：海面粗糙度對(duì)于極化橢圓參數(shù)沒有影響。極化橢圓率僅受海浪主波長的影響，與雷達(dá)入射角和海面粗糙度無關(guān)。極化橢圓方向角受雷達(dá)入射角和海浪主波長的影響。但當(dāng)雷達(dá)入射角大于一定的角度時(shí)，這種影響也被弱化。并得出了各海面