分層介質(zhì)粗糙面電磁散射系數(shù)的確定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于雷達(dá)電磁仿真技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及粗糙面電磁散射系數(shù)的確定方法， 可用于地海背景下目標(biāo)電磁特性分析中獲取背景粗糙面的某些特性。
【背景技術(shù)】
[0002] 在自然界的粗糙面背景中，有許多類似于油膜海面的分層結(jié)構(gòu)，對(duì)這樣的分層介 質(zhì)粗糙面的電磁散射研宄在理論分析與實(shí)際應(yīng)用中具有重要的意義。當(dāng)機(jī)載或者星載雷達(dá) 對(duì)分層介質(zhì)粗糙面等背景中的目標(biāo)進(jìn)行電磁探測(cè)時(shí)，雷達(dá)的回波信號(hào)中包含了分層介質(zhì)粗 糙面背景的電磁散射信號(hào)，通過(guò)分析這些回波信號(hào)，進(jìn)而可以得出分層粗糙面的某些特性。
[0003] 在過(guò)去的幾十年中，許多電磁仿真技術(shù)被學(xué)者提出用以處理地海面的電磁散射問(wèn) 題，大致分為解析方法和數(shù)值方法。數(shù)值方法因能保持較高的仿真精度被廣泛的應(yīng)用，但是 對(duì)計(jì)算機(jī)配置要求高，內(nèi)存消耗較大，同時(shí)耗費(fèi)大量的機(jī)時(shí)。相比于數(shù)值方法，解析方法的 優(yōu)點(diǎn)是消耗內(nèi)存低、分析速度快，然而解析方法是基于特定的近似，其精度往往較低，且解 析解的適用性和準(zhǔn)確性有待驗(yàn)證。對(duì)分層介質(zhì)粗糙面電磁散射的研宄常常采用微擾法，微 擾法基于不同的近似雖可以得到不同形式的解析解，但這些解的計(jì)算大多需要冗長(zhǎng)的數(shù)學(xué) 推導(dǎo)、缺乏合理的物理解釋且僅適用于粗糙面層數(shù)較少的情況，無(wú)法準(zhǔn)確分析背景粗糙面 的電磁特性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)的不足，提供一種分層介質(zhì)粗糙面電磁散射系數(shù) 確定的方法，以簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，獲得任意多層粗糙面的電磁散射系數(shù)，提高背景粗糙面的特 性分析準(zhǔn)確性。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案包括如下步驟：
[0006] (1)建立任意多層由（N+1)種介質(zhì)和N個(gè)平面組成的介質(zhì)平面幾何模型，設(shè)每種 介質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率均為1，自上而下第s種介質(zhì)相對(duì)介電系數(shù)為es，s = {〇, 1，2. . .N}，第 m個(gè)平面的深度為-d^m= {0, 1，2. . .N-1}，(!_"為非負(fù)且de0,兩相鄰平面間的距離為At =dt-dH，t= {1，2. ? ?N-l}，其中N為大于1的整數(shù)；
[0007] (2)將任意極化方式的單頻率平面波從上半空間入射到所述分層介質(zhì)平面幾何模 型的第一個(gè)平面上，選取直角坐標(biāo)系并定義入射電場(chǎng)，利用廣義反射系數(shù)和透射系數(shù)，計(jì)算 得到所述分層介質(zhì)平面幾何模型各種介質(zhì)內(nèi)的零階電場(chǎng)；
[0008] (3)將所述分層介質(zhì)平面幾何模型中的所有平面均換成由二維隨機(jī)過(guò)程產(chǎn)生的粗 糙面，即為分層介質(zhì)粗糙面幾何模型，利用Heaviside單位階躍函數(shù)來(lái)表示分層介質(zhì)平面 幾何模型和分層介質(zhì)粗糙面幾何模型的相對(duì)介電系數(shù)，并得到化簡(jiǎn)后兩種模型的相對(duì)介電 系數(shù)之差；
[0009](4)將體擾動(dòng)理論應(yīng)用于分層介質(zhì)粗糙面幾何模型中，結(jié)合步驟（2)和步驟（3)， 得到分層介質(zhì)粗糙面的一階擾動(dòng)場(chǎng)：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種分層介質(zhì)粗糙面電磁散射系數(shù)的確定方法，包括如下步驟： (1) 建立任意多層由（N+1)種介質(zhì)和N個(gè)平面組成的介質(zhì)平面幾何模型，設(shè)每種介質(zhì) 的相對(duì)磁導(dǎo)率均為1，自上而下第s種介質(zhì)相對(duì)介電系數(shù)為e s，S= {〇，1，2...?，第!11個(gè) 平面的深度為-4, m = {0, 1，2. . . N-l}，(Ini為非負(fù)且(Itl= 0,兩相鄰平面間的距離為Δ t = Clt-C^1, t = {1，2. . . N-1}，其中 N 為大于 1 的整數(shù)； (2) 將任意極化方式的單頻率平面波從上半空間入射到所述分層介質(zhì)平面幾何模型的 第一個(gè)平面上，選取直角坐標(biāo)系并定義入射電場(chǎng)，利用廣義反射系數(shù)和透射系數(shù)，計(jì)算得到 所述分層介質(zhì)平面幾何模型各種介質(zhì)內(nèi)的零階電場(chǎng)； (3) 將所述分層介質(zhì)平面幾何模型中的所有平面均換成由二維隨機(jī)過(guò)程產(chǎn)生的粗糙 面，即為分層介質(zhì)粗糙面幾何模型，利用Heaviside單位階躍函數(shù)來(lái)表示分層介質(zhì)平面幾 何模型和分層介質(zhì)粗糙面幾何模型的相對(duì)介電系數(shù)，并得到化簡(jiǎn)后兩種模型的相對(duì)介電系 數(shù)之差； (4) 將體擾動(dòng)理論應(yīng)用于分層介質(zhì)粗糙面幾何模型中，利用互易性原理，結(jié)合步驟（2) 和步驟（3)，得到分層介質(zhì)粗糙面的一階擾動(dòng)場(chǎng)：
其中：和是一階散射場(chǎng)(r(1)在單位矢量F和單位矢量&上的投影， O是平面分層結(jié)構(gòu)上高度起伏函數(shù)ζπ〇·ι)的二維傅里葉變換，<，是入射 波在單位矢量/?和和單位矢量1?方向的分量，紀(jì)和穴是垂直于1^的平面上任意兩個(gè)互相 垂直的單位矢量，A為原點(diǎn)到場(chǎng)點(diǎn)的距離，0_+1(k%k;)是第m層粗糙面的電磁散射系數(shù)，由
組成，分別代表垂直-垂直極 化、垂直-水平極化、水平-垂直極化和水平-水平極化的電磁散射系數(shù)，ε m+1為第m+1層 介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，ε m為第m層介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，k哺k s分別為入射波矢量和散射 波矢量，h是真空中的波數(shù)，（和&為入射波矢和散射波矢在x〇y面上投影的模，λ:'和紀(jì) 為橫向單位矢量，S為縱向單位矢量，和為第m層介質(zhì)內(nèi)入射波矢和散射波矢在ζ軸 上投影的模，kzm為第m層介質(zhì)內(nèi)的空間波數(shù)在z軸上投影的模，z為模型內(nèi)任意點(diǎn)位置r的 在z軸上投影的模，為中間變量，%",呢）是第m層平面的廣義反射 系數(shù)和透射系數(shù)，P e {h，v}表示極化方式，q e {i，s}表示入射和散射標(biāo)志，j表示虛數(shù)單 位； (5)根據(jù)得到的零階電場(chǎng)El^r)和一階擾動(dòng)場(chǎng)El；%)組成總散射場(chǎng)
,得到分層介質(zhì)粗糙面的電磁散射系數(shù)σ (0s):
其中，Θ s是雷達(dá)的散射角度，r是場(chǎng)點(diǎn)到坐標(biāo)原點(diǎn)的距離，E i是入射電場(chǎng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分層介質(zhì)粗糙面電磁散射系數(shù)的確定方法，其特征在于：步 驟（2)所述的利用廣義反射系數(shù)和透射系數(shù)，計(jì)算得到所述分層介質(zhì)平面幾何模型各種介 質(zhì)內(nèi)的零階電場(chǎng)，按如下步驟進(jìn)行： (2a)將任意極化的單頻率平面波以(0,祝）的入射角從上半空間入射到平面分層介質(zhì) 上，在局部直角坐標(biāo)系.
下，入射電場(chǎng)表示如下：
其中r= (ri，z)是空間位置坐標(biāo)，咬'是入射波在單位矢量紀(jì)和和單位矢量 巧方向的分量，
且紀(jì)和％是 垂直于K的平面上任意兩個(gè)互相垂直的單位矢量，入射波的方向由入射波矢量確定：
i是入射波矢量在z=0平面的 二維投影，&是入射波矢量在z = 0平面二維投影方向上的單位矢量，是入射波矢量在 z軸上的投影，^為與z軸正向的夾角，W為ki與X軸正向的夾角，i,：f，,i分別表示全局 直角坐標(biāo)系下，xyz三個(gè)方向上的單位矢量。 (2