分层粗糙面的散射及其在雪地散射中的应用

发布时间：2020-09-15 14:26

　　自然界中的地面和海面都可以近似模拟为满足某种特定的概率密度分布函数的随机粗糙面。但是自然界中的环境往往非常复杂。自然界中有双层介质粗糙面,比如雪层覆盖的土壤、草地、有植被覆盖的土地等等,也有三层或更多层的粗糙面。通过研究分层粗糙面的电磁散射特性,可以探测和识别粗糙地表下方相关的掩埋物、研究复杂的的地海背景环境散射等等。毋庸置疑,研究分层粗糙面的电磁散射无论是在工程领域还是民用领域都具有显著的理论研究意义和广泛的应用前景。本文主要围绕雪地的电磁散射特性展开了研究和讨论,主要工作包含以下几个方面:1.研究了粗糙面的几何模型和电磁建模方法。首先,阐述了判断粗糙面粗糙度的瑞利判据以及粗糙面常用的统计参数。并且阐述了粗糙面的蒙特卡罗模拟建模方法。其次,利用粗糙面的建模方法模拟了典型的粗糙面。最后,重点阐述了电磁散射的相关理论和单层粗糙面的电磁散射计算方法,包括:物理光学法、小斜率近似法。并且分析了两种典型的粗糙面的统计参量对其双站散射系数和后向散射系数的影响。2.研究了二维分层粗糙面的几何建模和电磁散射计算方法。首先,介绍了在蒙特卡罗方法的基础上二维分层粗糙面的几何建模。其次,介绍了电磁波在二维分层粗糙面中的电磁散射与透射,并且详细分析了电磁波二维分层粗糙面传播过程中的散射系数、复数散射角的相关问题。最后,建立了三种典型的二维分层粗糙面的模型并分析了其电磁散射特性。通过计算粗糙度均为0的双层粗糙面的电磁散射证明了计算方法的有效性。并且计算了上层粗糙面下层平滑面以及两层粗糙面的各个统计参量对电磁散射的影响。3.研究了雪地的电磁散射特性。首先,介绍了介电常数对散射的影响,进而研究了不同雪类型、土壤介电常数的计算方法,分析了频率、含水量等因素对不同雪类型、土壤介电常数的影响。其次,分析了雪地的微波特性。基于电磁波传播过程中的能量变化研究了雪地的透射深度。在此基础上分析了电磁波在雪地中的传播特性,从而确定了雪地的电磁散射模型。最后,分析了雪地的各种统计参量对雪地电磁散射的影响,包括电磁波的极化方式、雪层的粗糙度、土壤的湿度等等。
【学位单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN011
【部分图文】：

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仅和粗糙面本身的统计参量有关，还和入射电磁波的波段有关系。因此，对于同一个粗糙面，当入射波的波段不同时，粗糙面的粗糙程度并不是相同的。图2.1 瑞利判据几何示意图如图 2.1 所示，假设入射波是平面波，散射点为1x 、2x ，当入射波以1 入射到1x 、2x ，并经过折射，以2T折射出来时，入射波和散射波这两条射线之间的相位差为： 1 2 1 2 1 2 1 2 k ( h h )(cos cos ) ( x x)(sin sin )(2-1)式(2-1)中，k 为波数。相对于参考平面来度量，1x 点的高度为1h ，2x 点相的高度为2h 。若散射是镜像散射

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类型是种类一。图 2.3(b)中裸土的类型是种类三。(a)种类一 (b)种类三图2.3 裸土地面的灰度图比较图 2.3(a)和图 2.3(b)可以发现，图 2.3(a)中的裸土地面起伏情况更“频繁”，裸土地面更粗糙。再对比表 2.1 中各自的粗糙度，两者的结果是相辅相成的。

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在实际应用中，该方法一般有两种应用形式，第一种是一阶；第二种是二阶近似。对于一般的粗糙面，通常使用第一种方法来计算它的散射系数。图3.2 粗糙面的电磁散射示意图图 3.2 给出了电磁波照射到粗糙面时的电磁散射示意图。图中的数据参数为：0K为入射波，它的表达式为0 00K k q z ，0k 、0q 分别为它在 x 轴和 y 轴的投影，i 为入射角，s 为散射角，i 为入射方位角，s 为散射方位角。粗糙面每一点的高度表示为 z h ( r)；高度满足 z 0条件的空间的相对介电常数为1 ，高度满足 z 0条件的空间的相对介电常数为2 。其中 r ( x, y ) xx yy

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