三维复杂动态海面电磁散射特性建模及分析方法研究

在海洋电磁遥感技术中，海面电磁散射机理的研究一直是海表参数反演与海面目标检测等应用中的关键，并已成为国内外电磁场和雷达研究领域中的一个重要方向。在复杂海况条件下，海面的不确定性、海面电磁散射的多径效应和遮挡效应造成的散射机理的复杂性，使一些简单的分析模型已经不能解释该条件下的电磁散射机理。为此，本项目针对海面电磁散射的前沿问题，重点研究适于大入射角情况下包括重力海浪谱、风驱海浪谱、破波以及舰船行进过程中尾迹波纹等复杂动态海面的电磁散射计算的高效方法，研发适于大型复杂动态海面电磁散射计算的平台，分析典型破浪海面在不同极化和不同入射角的时域及频域的电磁散射特性，并通过实验研究和计算仿真相比对的方法，验证计算方法的可行性。本项目的研究成果可以应用于海面电磁散射的仿真计算、海表信息的定量反演及海面舰船目标的探测等，同时为我国海洋电磁遥感应用提供理论和技术基础。

在海洋电磁遥感技术中，海面电磁散射机理的研究一直是海表参数反演与海面目标检测等应用中的关键。在复杂海况条件下，海面的不确定性、海面电磁散射的多径效应和遮挡效应造成的散射机理的复杂性，使一些简单的分析模型已经不能解释该条件下的电磁散射机理。针对这些海面电磁散射的前沿问题，本项目从以下几个方面开展了研究：.一）从三维动态海面的几何建模着手，建立了重力海浪谱、风驱海浪谱、破波以及舰船行进过程中尾迹波纹等不同海况的海面模型，为海面电磁散射的计算和分析奠定了基础。二）开展了对复杂动态海面的电磁散射计算的高效方法研究，研发了适于大型复杂动态海面电磁散射计算仿真平台，包括基于多层快速多极子算法和混合高频近似算法，以及用于计算海面和目标复合电磁散射的高低频混合算法。特别在大型海面电磁散射问题中将高阶叠层矢量基函数应用于多层快速多极子算法中，进一步提高了算法的效率。针对高频近似方法的局限性，本项目中通过添加虚拟发散因子的方法提高了高频算法在海面散射中的计算精度，并将KD-tree结构用于射线追踪法中对算法进行加速，使之能够适用于大型海面电磁散射的快速计算。三）依托本项目研发的海面电磁散射计算平台，开展了对包括风驱海面、典型破浪海面在不同极化和不同入射角的时域及频域的电磁散射特性分析研究。采用准静态方法仿真得到了海面回波序列，研究了风驱海面的多普勒频谱特性，并从统计意义上研究了海杂波的分布特性以及混沌特性。四）通过高低频混合算法对海面上目标的电磁散射回波进行仿真研究，实现了对海杂波背景下目标的合成孔径成像研究，分析了海杂波对目标成像质量的影响。最后，本项目还通过对真实雷达采集的X波段海杂波数据分析，研究了海面信息的反演问题。.通过本项目的实施，建立了一套从海面几何建模到以计算电磁学为核心的海杂波计算仿真，最后到海杂波分析的完整动态海面电磁散射仿真与分析体系。项目的研究成果为海洋电磁遥感应用提供了理论参考和技术基础。