粗糙面电磁散射的小斜率近似方法研究

采用小斜率近似方法研究了粗糙面的电磁散射问题,给出了小斜率近似下散射截面的级数展开,得到了满足高斯谱分布的导体粗糙面一阶,二阶,三阶小斜率近似双站散射截面结果.同时将小斜率近似与考虑遮蔽效应的基尔霍夫近似和有关实验测量结果作了比较.数值结果表明小斜率近似在整个入射角范围内较为准确,在散射角较大时与实际测量结果也较为吻合.

小斜率近似在粗糙面激光散射BRDF计算中的应用

基于小斜率近似法建立了粗糙面激光散射双向反射分布函数的数学模型,采用该模型计算了粗糙度参量已知的合金铝样片的双向反射分布函数值,计算结果与实测结果吻合良好,验证了模型的正确性.研究了粗糙度参量和样片光学常量对双向反射分布函数的影响,结果表明,粗糙面激光散射的双向反射分布函数与表面高度起伏均方根、自相关长度及样片光学常量相关.当入射波长一定时,高度起伏均方根越大,或者自相关长度越小,粗糙面粗糙度越大,入射激光的漫反射特性越强,双向反射分布函数峰值越小且分布越分散;当粗糙度一定时,样片光学常量对双向反射分布函数影响较大,粗糙面对入射激光复折射率的虚部越大,样片双向反射分布函数的峰值越小,当粗糙度参量增大时,样片光学参量对双向反射分布函数的影响逐步减弱.

粗糙海面电磁散射的小斜率近似方法

利用小斜率近似方法研究了粗糙海面的电磁散射特性,推导了极坐标下小斜率近似方法的双站散射系数计算公式。基于Elfouhaily海谱模型,计算了海面的散射系数,将得到的理论计算结果和实验数据及考虑和不考虑遮蔽效应的基尔霍夫近似结果进行了对比。讨论了不同极化状态下小斜率近似方法的后向散射系数随入射波频率和风速的变化关系。结果表明,在后向散射情况下,理论计算结果和实验数据吻合很好;在双站散射情况下,在大散射角时小斜率近似的结果更为准确;无论是何种极化,后向散射系数均随入射波频率和风速的增大而增大。

高斯介质粗糙面电磁散射的小斜率近似方法

基于小斜率近似方法推导了极坐标系下介质粗糙面的双站散射系数和后向散射系数计算公式。为验证小斜率近似方法的准确性,针对二维高斯介质粗糙面,计算了双站散射系数并将得到的数值结果与实验测量数据和基尔霍夫近似方法计算结果进行了对比分析,结果表明:小斜率近似方法的结果和实验数据吻合较好。同时对不同入射角下散射系数的角分布及粗糙度和均方根斜率对散射系数的影响进行了讨论分析。

非高斯海面后向电磁散射的小斜率近似方法

采用小斜率近似方法研究二维高斯和非高斯粗糙海面后向电磁散射问题,给出自相关函数、偏斜度函数和偏峰度函数的计算公式和数值结果,得到小斜率近似下满足高斯和非高斯分布的二维海面后向电磁散射截面计算公式.应用小斜率近似方法讨论非高斯海面后向电磁散射特性,计算结果和实验数据有较好的吻合.

一维海面双站电磁散射的二阶小斜率近似研究

运用二阶小斜率近似方法研究了一维海面TE波和TM波的双站电磁散射.把海面的变化看做是高斯随机过程中的皮尔森-莫斯维茨谱,并且用锥形波入射以减少人为截断误差.给出了用二阶小斜率近似法研究一维海面双站散射的数值模拟结果,并与小斜率近似法和矩量法的数值计算结果进行了比较.结果表明,二阶小斜率近似方法比小斜率近似方法更准确.

小斜率近似方法分析粗糙界面声散射问题

利用小斜率近似方法计算了起伏海面的声散射特性,得到了具有高斯分布粗糙海面的平均反射系数(即镜反射系数)计算公式,并与微扰法和Kirchhoff近似做了比较,结果表明小斜率近似是一种非常有效的分析起伏表面散射特性的近似方法。最后讨论了海面镜反射系数随海面的不平整度(波浪的均方根高度)、声波频率和声波入射方向的变化关系,得出了只有在声波波长和起伏波浪高度可比拟时,才有明显的镜反射的结论。这为分析浅海目标声散射特性时,选择是否需要考虑海面(海底)所引起的多途效应提供了理论依据。

基于小斜率近似的深海海面混响

收发设备在海面附近的深海混响实验中,多途时延使得最先到达水听器的为海面混响信号,且不受海底散射声场的干扰.本文利用射线理论描述深海声传播的格林函数,采用粗糙界面一阶小斜率近似方法描述全角度海面散射,给出海面混响声场的表达式.同时考虑了海面表层气泡散射的贡献,获得了海面混响理论.通过数值仿真数据和深海实验数据的比较对海面混响模型进行验证,分析了不同接收深度、频率下的海面混响强度衰减趋势.结果表明:低海况条件下,低频海面混响由粗糙界面散射主导,气泡散射可以忽略,随频率升高,气泡散射对海面混响的贡献逐渐增大,海面附近收发深度的小幅变化对混响衰减曲线的影响不明显.基于该模型提出一种反演海面粗糙界面谱参数的方法,数值计算结果验证了该模型能够在风速已知的前提下,通过海面混响数据提取海面粗糙界面谱参数.

由小斜率近似计算粗糙海面对空气声源激发的浅海声场的影响

采用一级小斜率近似方法处理空气声经粗糙海面透射至浅海中的声场问题。假定空气、海水和海底为三层均匀介质,将海水层中声场分解为下行波和上行波,导出了粗糙海面条件下下行波和总声场的小斜率近似表达式。导出的声场表达式可由快速傅里叶变换计算,但会出现混叠问题。为了减轻混叠影响,提出了引入额外介质吸收的计算方法。针对高度一维变化且频谱满足PM谱的起伏海面,采用蒙特卡洛仿真计算了相应的水下声场。结果表明,随着海面起伏均方根高度的增加,水下相干场强度减小而均方声压则略有增大。

海洋粗糙面全极化电磁散射特性研究

针对基于几何光学-微扰法(GO-SPM)的传统双尺度模型对截断波数敏感的问题,该文建立了一种基于几何光学-小斜率近似(GO-SSA)的改进双尺度模型。该模型将小尺度部分的微扰法替换为一阶小斜率近似,并改进镜向分量的几何光学解。仿真表明该方法在获取传统双尺度精度的同时,不需要考虑截断波数的选取问题。针对Elfouhaily海浪谱模型的特点,简化GO-SSA积分形式。最后采用GO-SSA对以Elfouhaily海浪谱建模的海表面的单双站极化散射特性进行了仿真分析。发现双站极化散射中,粗糙表面的斜率调制导致交叉极化出现了异于传统模型的分布。同时在全空域的双站极化散射仿真中,发现所有的极化方式在方位向内均存在极小值。该极小值的大小与环境参数密切相关,在环境参数反演方面具有应用潜力。

双基地海底散射建模与仿真分析

海底的声散射是产生浅海混响的主要原因之一。采用小斜率近似方法研究了粗糙液-液分界面的海底散射问题,通过一个统一的方法实现微扰近似和Kirchhoff近似的无缝衔接且不受表面高度均方根条件限制。类比APL-UW模型,利用最低阶小斜率近似求解粗糙海底界面散射截面,并结合Jackson等人的海底沉积层体积散射截面表达式,建立了一个计算双基地海底散射强度的"小斜率-体积"模型。针对几种典型的海底类型进行了数值仿真与性能分析,并将数值预报结果与APL-UW模型进行了对比。结果表明,小斜率-体积模型在整个角度范围内较为准确,并且与APL-UW模型的预报结果吻合程度较高,两者散射强度差值小于2 dB。

二维线性与非线性海面电磁散射特性比对研究

二维线性和非线性海面模型与低阶小斜率近似(small slope approximation,SSA)法相结合,对比研究了不同海面的统计特征及其电磁散射特性。研究表明:非线性海浪比相应的线性海浪具有更尖锐的波峰和更为平坦的波谷,虽然其高度均方根保持不变,但斜率变大,且偏离高斯分布;相应地,非线性海面归一化雷达散射截面(normalized radar cross section,NRCS)在远离镜面反射方向上略高于线性海面的NRCS,其后向散射系数也有所提高,并且该差异在小擦地角下更为显著。

高频辐射噪声近程传播特性研究

针对近程反鱼雷武器系统建设问题,研究了鱼雷高频辐射噪声的近场传播特性。采用小斜率近似(SSA)方法研究了粗糙海面的声散射特性,给出了具有高斯分布粗糙海面的2阶～4阶SSA双站散射系数计算公式,讨论了2阶SSA双站散射系数随海面粗糙度及入射角度不同的变化规律。并利用SSA双站散射系数计算了水下高频辐射噪声散射声场。仿真结果表明,粗糙海面的散射效应对高频辐射噪声传播产生较大影响,在研究声源/接收器位于近海面的高频辐射噪声传播特性时,应充分考虑海面的散射效应。本文的研究为分析浅海目标声散射特性时,是否需要考虑海面(海底)所引起的多途效应提供了理论依据。

浅海粗糙海面影响下的声场水平纵向相关性

浅海粗糙海面会引起海面反射损失和声场能量的重新分布,对接收阵的阵增益有着重要影响。本文考虑浅海粗糙海面的因素,结合小斜率近似散射理论和简正波声场模型,分析了不同海面风速下的声场水平纵向相关性。在给定的条件下,随着风速的增加,声场水平纵向相关性提高。通过简正波理论和简正波声场模型给出了解释:随着风速的增加,高号简正波衰减较快,声场中的有效简正波号数减少,导致声场中的简正波干涉减弱,从而提高了声场水平纵向相关性。

基于非线性海面微波段多普勒回波的建模算法

基于线性波浪理论和尖波模型,分别仿真得到时变线性和非线性海面,并比较了不同海况下两种海面模型的统计特征。采用小斜率近似法求解微波段的电磁散射,并分析了不同条件下的回波多普勒谱。通过采用海浪反演算法验证仿真数据,证明了该建模算法的正确性。结果表明,非线性海浪表现出斯托克斯波浪的典型特性,海面的非线性效应在掠入射时对多普勒谱的影响更显著,并且进行了非线性修正的海面模型的电磁散射特性与实际海况的结果更加吻合。

非完全深海声道环境下混响强度建模与分析

为研究非完全深海声道环境下海面和海底近距离大掠射角散射以及远距离小掠射角散射对混响的贡献,本文采用小斜率近似考虑全掠射角范围粗糙界面散射作用,结合射线理论声场算法,建立了海面和海底混响强度模型。利用南海实测混响数据对模型进行了验证,通过数值计算比较了海面和海底混响强度衰减特性差异,揭示了不同时间段的混响信号多途属性。结果表明:在表面声速为负梯度的非完全深海声道环境中,对于通常的海面附近发射和接收情形,海面混响强度衰减较快,海底散射起主导作用。

波浪起伏对噪声场空间特性的影响

风成噪声是海洋环境噪声的重要组成部分,现有的噪声预报模型基本都是基于海面为绝对软平坦边界的假设建立的,然而海面波浪起伏引起的散射必然造成声波能量的衰减,改变声场的空间分布。本文通过引进P-M波浪谱模型来描述海面粗糙度,利用小斜率近似求解二维粗糙海面下相干反射系数,然后将海面相干反射系数引入到声传播模型中,使得模型能够考虑界面粗糙对噪声传播的影响,基于简正波理论建立了粗糙界面下噪声场空间特性预报模型。仿真分析了海面粗糙度对噪声场空间特性的影响。结果表明:海面起伏会引起噪声强度的衰减,并影响空间相关函数的幅度,还会改变噪声场的水平相关半径。

浅海近程混响的振荡现象

研究浅海近程混响特性对于评估和提高主动声呐性能具有重要意义。多次浅海混响实验显示,近程混响强度存在稳定的振荡现象,发射信号的脉宽基本对振荡的幅度和周期没有影响。为解释这一现象,该文基于射线理论和小斜率近似给出了浅海近程混响模型,仿真与实测数据结果基本吻合。数值仿真结果表明:海底反射声场对单站声呐接收到回声信号的贡献远小于海底近垂向大掠射角散射声场的作用;混响强度振荡现象是海底近程散射声场的多途信号叠加的结果,并由此给出了振荡周期与海深及收发深度的关系。

VRT和M-G模型对含泡沫海面电磁散射特性的修正效应研究

为了研究高频段高海情下海面电磁散射,须将泡沫的电磁散射引入到海面电磁散射计算中。本文基于小斜率近似方法,分别采用矢量辐射传输理论、Maxwell-Garnett模型,对小入射角和中低掠入射下风驱粗糙海面覆盖泡沫层的泡沫-海面复合模型的电磁散射系数进行了修正。修正后的数值计算结果与相关文献的实验值吻合较好,弥补了小斜率近似方法在某些场景中的局限性。

粗糙面电磁散射的SSA方法研究

采用小斜率近似方法研究了粗糙面的电磁散射问题,给出了小斜率近似下散射截面的级数展开,得到了满足高斯谱分布的导体粗糙面一阶、二阶、三阶小斜率近似下双站散射截面结果,同时将小斜率近似与考虑遮蔽效应的基尔霍夫近似和有关实验测量结果作了比较.研究表明,小斜率近似在整个入射角范围内较为准确,在散射角较大时与实际测量结果也较为吻合.小斜率近似是一种处理粗糙面电磁散射问题的较好方法.