时变复杂非稳态海面电磁散射回波的海尖峰及极化度研究

Sea spike in sea clutter is a serious interference for radar target detection under sea background. However, the relationship between complex water phenomenon and sea spikes has not been completely investigated on the electromagnetic scattering mechanism. Moreover, sea clutter are partially polarized wave, current study on sea clutter is still in complete polarization level at home and abroad, the polarimetric scattering mechanism of the dynamic sea surface contains complex unsteady water phenomenon is a new research work. A numerical model of complex and unsteady sea surface with parasitic cappilary waves, breaking waves and foaming whitecap is established for the electromagnetic scattering issue of the wind-driven complex open sea surface. The high/low frequency hybrid method for the electromagnetic scattering from an electrically large, complex and unsteady sea surface is investigated by the vector superposition of the electromagnetic scattering from local areas where the numerical method is applied. The EM polarized scattering echo model of the time-varied, complex and unsteady sea surface is simulated. The generation mechanism of the partially polarized scattering waves from the time-varied and unsteady sea surfaces is studied emphatically with the completely polarized incident waves. The factors and rules of the sea spike from the wind-driven complex open sea surface are revealed. The computer simulation model for the electromagnetic polarimetric scattering in the complex sea state can provide the necessary theoretical basis for remote sensing images and target detection from polarimetric sea echos.

海杂波中的海尖峰现象会对海背景中的雷达目标探测带来极大的困扰，而复杂水体现象与海尖峰之间通过电磁散射机理的对应关系尚未充分研究。另外海杂波都是部分极化波，而目前国内外对于海杂波的研究仍停留在完全极化层面，包含复杂非稳态水体现象的动态海面的部分极化散射机理是一项崭新的研究工作。本项目针对远海区域风驱复杂海面的电磁散射机理，建立具有寄生毛细波、卷浪破碎和白冠泡沫等非稳态水体现象的时变复杂非稳态海面数值模型，通过矢量叠加由数值方法计算的局部小区域电磁散射，研究电大尺寸复杂非稳态海面电磁散射的高低频混合方法，突破时变复杂非稳态海面极化电磁散射建模的关键技术，发展时变复杂非稳态海面的电磁极化散射回波模型，着重探索完全极化电磁波入射下时变复杂非稳态海面电磁散射的部分极化波产生机理，揭示远海区域风驱复杂海面海尖峰的影响因素及其变化规律，为基于海洋背景极化回波的遥感成像、目标识别的建立提供必要的理论依据。

海洋大约覆盖了百分之七十的地球面积，是地球上最为重要的复杂动态系统之一，因此以海洋表面为背景粗糙面的电磁散射在目标与环境特性研究中的重要性尤其突出。本项目针对时变非稳态海面电磁散射领域相关问题展开了系统的研究，重点讨论分析了时变海面非线性作用、卷浪、泡沫以及尾迹对海面极化电磁散射特性的影响。本项目研究内容在海洋遥感及海面目标探测等领域具有十分重要的理论与工程应用价值。本项目的主要工作和研究成果如下：.1. 将二阶小斜率近似模型结合非线性海面模型系统研究了海面非线性作用对海面散射回波多普勒特性的影响。结果表明：随着入射角的增大海浪波之间的非线性作用对海面散射回波的多普勒谱产生越来越明显的影响。海面散射回波的多普勒谱具有明显的极化依赖特性。同极化的多普勒频移对风速的变化非常敏感。.2. 将开尔文尾迹与粗糙海面融合一体，采用二阶小斜率近似计算尾迹海面的极化电磁散射。尾迹的存在会导致海面的镜反射减弱，还会导致同极化后向散射增强，以及海面去极化散射的增强。.3. 采用矩量法计算了单卷浪、多卷浪以及叠加卷浪海面的极化电磁散射。研究结果表明海杂波中的超级现象形成机理主要来自于海面上类似于卷浪等水体结构所形成二面角。.4.采用等效介电常数模型和矢量输运理论，修正了小斜率近似在一些角度范围内与实测数据的差异。由于海面上方泡沫的存在，当把泡沫的散射场考虑在内后，此时散射场会得到增强，因此杂波序列的波动性也变得更加剧烈。.5. 提出了分区小斜率近似用以解决大起伏粗糙面电磁散射的快速计算。新月形沙丘HH交叉极化的最小值位于入射波平面内，VV极化的最小值取决于入射角和模型的介电常数。由于布儒斯特角的影响，VV极化在镜面反射和后向散射方向上的结果相对于HH极化明显减少。