基于虚拟分割的植被组件电磁散射研究

发布时间：2020-10-22 23:18

　　 植被在整个地球系统中扮演着重要的角色,对全球的碳循环、水循环和气候变化有重要的影响。有限长圆柱体的电磁散射在植被微波遥感领域有重要的应用。在微波低频段(如L和S波段),植被主干和枝干的散射贡献往往占主导地位。在植被生长期的早期,其主干和枝干在其它频段下亦占主导地位。这两者常用有限长圆柱体建模。但迄今为止,仍未能得到圆柱体电磁散射截面的统一解析解,更遑论散射振幅相位的准确求解,或者对能量守恒和互异性定理的考量。T矩阵是计算体散射的有力工具,但在处理大长径比圆柱体时,会面临收敛问题。鉴于此种弊端,本文研究基于T矩阵的虚拟分割方法(VPM)并将其扩展到非均匀圆柱体和锥形柱体。非均匀是指沿圆柱体主轴各段介电常数可能相异,文献中尚无解析方法处理该种情形。锥形柱体可以表征植被主干上细下粗的结构。数值仿真验证了 VPM的有效性,包括:1)对任意双站散射,提供高精度的同极化和交叉极化散射截面;2)提供高精度的散射振幅相位;3)符合能量守恒;4)满足互易性定理。VPM的优异性能表明其在植被相干散射模型中的应用潜力巨大,可以更好地理解PolInSAR图像,更好地表征植被散射机制。植被枝干的取向通常是任意的,对不同的圆柱体取向和入射波极化方向,VPM要重新计算,这远非理想。本文开发了基于VPM的T矩阵(VPM-Tmat)方法。VPM-Tmat与VPM都具有很高的精度,但考虑空间取向并做取向平均时,VPM-Tmat的效率较VPM提高2个数量级以上。无论是表征电磁波在植被中的传播行为,或是为极化分解做准备,VPM-Tmat都可以提供准确而高效的技术支撑。在VPM-Tmat计算植被组件技术的支持下,本文对玉米冠层建立高精度的相干散射模型,仿真结果与实测数据吻合较好。当植被的主干、枝干处于相互的近区,需要充分考虑圆柱体间的电磁交互作用。本文将VPM推广到多个圆柱体的电磁散射,该模型考虑了圆柱体间的全部耦合效应,亦即多重散射效应阶数在理论上等价于无穷级。数值仿真验证了 VPM计算多圆柱体的精度。此外,仿真结果表明即使圆柱体间的距离大于1个波长,其耦合效应有时候也不可忽略。Freeman和Durden开发的三分量极化分解理论可表征植被的极化散射机理。本文引入一种更严格的方法来表征其中的体散射分量。改进体现在两个方面:1)考虑局部入射角的影响;2)高精度的计算圆柱体散射振幅。相关改进有助于极化协方差矩阵分解模型的发展,有助于发展极化SAR在植被生物物理信息提取中的应用。本文还研究协方差矩阵对圆柱体尺寸、介电常数、取向的敏感性,为反演算法做准备。
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：Q948.1;O441
【文章目录】：
致谢
摘要
Abstract
英文缩略表
1 绪论
    1.1 研究背景和意义
    1.2 研究现状
        1.2.1 单个有限长圆柱体散射研究
        1.2.2 多个有限长圆柱体散射研究
    1.3 论文主要创新点和内容安排
2 ICA特性研究
    2.1 引言
    2.2 单个粒子的电磁散射
    2.3 ICA方法
    2.4 ICA数值结果
        2.4.1 ICA精度
        2.4.2 能量守恒
        2.4.3 互异性定理
        2.4.4 ICA性能的定量研究
    2.5 本章小结
3 虚拟分割技术
    3.1 引言
    3.2 T矩阵
        3.2.1 T矩阵的定义
        3.2.2 T矩阵的基本特征
        3.2.3 扩展边界条件法
    3.3 平移加法定理
    3.4 VPM
    3.5 VPM数值结果
        3.5.1 圆柱体仿真结果
        3.5.2 锥形柱体仿真结果
    3.6 VPM-Tmat方法
    3.7 VPM-Tma数值结果
        3.7.1 VPM-Tmat精度
        3.7.2 能量守恒
        3.7.3 互异性定理
        3.7.4 任意取向圆柱体情形
        3.7.5 VPM-Tmat有效范围
    3.8 玉米冠层的电磁散射
        3.8.1 植被散射模型
        3.8.2 结果分析
    3.9 本章小结
4 多个有限长圆柱体的电磁散射
    4.1 引言
    4.2 多个平行圆柱体的VPM
    4.3 数值结果
        4.3.1 精度分析
        4.3.2 能量守恒
        4.3.3 互异性定理
        4.3.4 多体散射效应分析
        4.3.5 多体散射效应的三维图
        4.3.6 有效传播常数
    4.4 本章小结
5 基于物理模型的植被极化体散射研究
    5.1 引言
    5.2 体散射模型改进
        5.2.1 局部入射角和旋转角
        5.2.2 考虑局部入射角的重要性
        5.2.3 采用可靠散射模型的重要性
    5.3 数值结果
        5.3.1 圆柱体长度对协方差矩阵的影响
        5.3.2 圆柱体直径对协方差矩阵的影响
        5.3.3 圆柱体介电常数对协方差矩阵的影响
        5.3.4 朝向随机因子n对协方差矩阵的影响
0对协方差矩阵的影响'>        5.3.5 朝向中心β₀对协方差矩阵的影响
    5.4 本章小结
6 总结和展望
    6.1 本文内容总结
    6.2 未来工作的设想和展望
参考文献
作者简历

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 ;2016年全国电磁散射与逆散射学术交流会征文通知[J];电波科学学报;2016年02期

2 ;2016年全国电磁散射与逆散射学术交流会征文通知[J];电波科学学报;2016年03期

3 姚纪欢,冯晓霞,乔灵爱;用时域有限差分方法计算电磁散射[J];山西大学学报(自然科学版);1999年02期

4 王卫延,张守融;一种解介质体散射问题的新方法[J];电子科学学刊;1988年02期

5 蒋嘉翔;任意形状截面的均匀介质柱体的电磁散射[J];中国科学技术大学学报;1988年03期

6 金雷;夏侨生;徐鹏根;;轴对称复杂形体电磁散射(摘要)[J];电波科学学报;1989年Z1期

7 阮颖铮;复射线理论在电磁散射和雷达截面分析中的应用[J];电子学报;1989年03期

8 徐鹏根;鲁述;桂超;;两媒质半空间电磁散射[J];武汉大学学报(自然科学版);1989年04期

9 ;2016年全国电磁散射与逆散射学术交流会征文通知[J];电波科学学报;2016年01期

10 ;2012年电磁散射与逆散射学术交流会征文通知[J];电波科学学报;2012年04期

相关博士学位论文 前10条

1 杨超;基于虚拟分割的植被组件电磁散射研究[D];浙江大学;2019年

2 魏鹏博;典型地面环境电磁散射与统计建模研究[D];西安电子科技大学;2016年

3 尹钰;目标的瞬态电磁散射分析及超宽带天线的设计[D];电子科技大学;2018年

4 陈俊龙;动态非高斯海面与卷浪的电磁散射特征研究[D];西安电子科技大学;2018年

5 苏翔;多尺度海面电磁散射特性建模与测量研究[D];西安电子科技大学;2016年

6 汤炜;ADI-FDTD及其混合算法在电磁散射中的应用[D];西安电子科技大学;2005年

7 张浩斌;腔体电磁散射的混合算法研究[D];西北工业大学;2003年

8 杨利霞;复杂介质电磁散射的FDTD算法及其相关技术研究[D];西安电子科技大学;2006年

9 王运华;海面及其与上方简单目标的复合电磁散射研究[D];西安电子科技大学;2006年

10 耿友林;球矢量波函数在各向异性介质电磁散射中的应用[D];西安电子科技大学;2006年

相关硕士学位论文 前10条

1 姚田;基于电磁散射的雷达目标微多普勒特性研究[D];西安电子科技大学;2018年

2 林巧文;地下金属球电磁散射的解析解研究[D];杭州电子科技大学;2018年

3 胡民;高频空时回波信号半物理仿真关键技术[D];哈尔滨工业大学;2018年

4 方婷;随机粗糙表面电磁散射模型的研究[D];南京邮电大学;2018年

5 李龙江;海岛的电磁散射建模方法研究[D];西安电子科技大学;2018年

6 刘祥;基于并行SBR的电大尺寸目标近场电磁散射研究[D];西安电子科技大学;2018年

7 童剑;粗糙海面及其复杂环境下的电磁散射计算与应用研究[D];华中科技大学;2018年

8 胡少峰;电磁散射中的时域有限体积算法研究[D];电子科技大学;2018年

9 李琦;粗糙海面微波电磁散射及传播模型研究[D];哈尔滨工程大学;2015年

10 邹真林;表面电磁缺陷结构的电磁散射与算法研究[D];电子科技大学;2018年

本文编号：2852215