Ka频段脉冲波在带电沙尘中的传输特性与理论建模

本项目应用单次散射Mie理论和多重散射Monte Carlo方法研究各向同性带电球形粒子散射，应用电磁场多尺度变换理论建立各向异性带电球形粒子的散射特性模型，提出Ka频段电磁波在带电沙尘媒质中的传播特性模型；应用傅立叶时域积分近似解的方法，对Ka频段脉冲波通过带电沙尘媒质时的脉冲畸变、频移和时延与频率、脉冲宽度进行理论建模和仿真；研究带电沙尘媒质中的双频互相干函数，分析相干带宽、脉冲展宽特性；研究沙尘粒子、带电沙尘粒子对Ka频段脉冲波的散射特性。本项目研究为卫星通信、雷达的目标识别和遥感等技术的发展提供重要的理论依据和实用模型。

沙尘媒质中微波传播理论受到人们普遍关注。沙尘媒质中的粒子尺寸分布的多样性、粒子含水量、沙尘粒子的带电因素等对电磁波的传播有较为重要的影响，针对这些问题进行了深入研究。首先，在Rayleigh散射近似下，提出了沙尘媒质中微波沿水平路径、地空路径传播特性模型，模型简单适用于不同频率；提出了一种基于媒质的等效介电常数模型研究微波在随机媒质中的传输特性的方法，以沙尘媒质和等离子体为例，微波衰减结果与已有的文献结果完全一致，表明该方法的正确性。建立了沙尘媒质中毫米波雷达的回波功率和等效散射截面与沙尘衰减系数、能见度及传播距离的关系模型。研究了毫米脉冲波沙尘媒质中的传播特性，结果表明脉冲畸变随脉冲宽度和传播距离的增大而增大；开展了球形沙尘粒子对脉冲波的散射特性研究，得到了沙尘粒径、脉冲宽度对脉冲波的消光系数、散射吸收和散射相函数的影响规律。其次，对于沙尘粒子的指数分布，提出了微波在带电沙尘中的传输特性模型，该模型在不考虑沙尘粒子带电时，与已有的模型完全吻合；基于地空路径的经验模型，导出了地空路径上电磁波的衰减和相移的等效模型。利用带电球形粒子的Mie散射理论，给出了频率、能见度等因素对带电沙尘媒质中微波衰减的影响规律。最后，导出了局部均匀带电球形粒子的散射振幅和微分散射截面的表达式；给出了Rayleigh散射近似下带电沙尘粒子后向微分散射截面、后向散射截面的解析式。首次导出了各向异性局部均匀带电球形粒子的散射振幅、微分散射截面的表达式，数值仿真了介电张量和观察角对其的影响。这些研究成果将为卫星通信、雷达的目标识别和遥感等技术的发展提供必要的理论依据和实用模型。