基于VHF/UHF双频地基雷达的土壤与植被参数建模与测试方法研究

对地表深层（0-5米）的遥感探测是目前国内外遥感研究的趋势和热点之一，目前国内外的微波遥感器大多是在分布在L,S,C,X,Ku波段，对地表的穿透能力弱,遥感模型都是针对表层的。茂密植被和地表深层的定量化遥感需更长波长的遥感器和建立相应频段的雷达散射模型。本申请项目基于我们研制的VHF/UHF波段的地基雷达，以理论分析、仿真和测试相结合，研究茂密植被，地表深层，植被下掩蔽目标的散射机理，建立、修正和完善散射模型；构造合适的正则化方法和反演算法，获取遥感模型。1研究VHF/UHF频段森林植被对电磁波的吸收与散射机理，植被土壤互作用、粗糙面深层土壤散射机理；森林覆盖的强散射目标的散射机理；建立相应的散射模型；2在试验区实地测试，对测试数据进行去杂波，去干扰的信号处理，修正和完善各散射模型；3构造合适的正则化方法和反演算法，得到森林植被和深层土壤的遥感模型。

茂密植被和地表深层的定量化遥感需要L以下频段的遥感器和建立相应频段的散射模型。项目研究UHF/VHF频段的土壤和森林植被遥感模型，通过仿真和实验数据论证该频段遥感器的探测能力，为研制UHF/VHF频段遥感器提供理论依据。项目主要研究内容：1、研究土壤地表深层散射机理，提出了小尺度粗糙面覆盖下渐变分层媒质散射模型，首次提出了小尺度粗糙面分层媒质高阶散射模型；2、基于Stratton-Chu 积分方程、Kirchhoff 近似及射线追踪法，建立了大尺度粗糙面分层媒质散射模型；3、基于标量递归T矩阵（RATMA）算法推导了RATMA的矢量形式，仿真研究了森林植被根系的散射特性；4、提出了一种基于分形结构的森林植被高阶相干散射模型，生成近乎真实植被的三维几何结构，采用互易定理计算了相邻散射体间耦合作用，根据位置信息计算了相干效应，给出了各项散射机制的表达式。5、通过射线追踪-矩量法-快速多极子混合数值方法仿真给出植被下强散射体的散射特征，为植被下强散射目标的侦查与反侦察提供研究方法和理论依据；6、基于射线追踪和离散植被散射模型研究了山区森林植被的散射；7、研究并改进了电离层模型。项目重要成果有：1、首次提出粗糙面分层媒质高阶散射模型，模型清晰表达了粗糙面内耦合、分层耦合和粗糙面间耦合效应的各项散射机制；根据应用背景和分层结构特点，该模型易于简化；在不考虑粗糙面间耦合效应时，多层粗糙面分层介质散射系数等效为每个粗糙面对应的“多个平面分界面+单粗糙面分界面”媒质散射系数的和，该模型极大地简化了多层粗糙面分层媒质散射系数的计算；2、对于粗糙面分层媒质的散射强度，由于粗糙面的散射作用，平面分层媒质中表层回波强度大于次表层回波强度的规律被打破，对微波遥感探测及火星等深空探测的图像解译提供了理论依据；3、仿真数据和测试数据验证了观测稠密植被及植被下土壤湿度时，UHF波段对土壤湿度有较高敏感度。项目的科学意义：1、得到不同尺度粗糙面分层媒质散射模型，尤其是本项目中提出的小尺度粗糙面分层媒质高阶散射模型，具有重要的理论价值；2、大尺度粗糙面散射模型应用于深空探测中火星、月球次表层回波模拟，为研制新深空探测设备的方案论证工作提供了代替实验手段的仿真工具；3、率先在国内提出采用UHF/VHF波段雷达探测森林植被及制备根系深度土壤湿度。