隨機粗糙面散射的基本理論與方法

前言

電磁問題，按照特點可以分為散射、輻射和傳播三類，其中，散射問題是最基本的問題，在一定程度上，輻射問題和散射問題是相互融合的，而波的傳播問題，在許多情況下，依賴于對傳播介質散射特性的研究。自然界中地面、海面均可以看成是滿足某種特定概率密度分布的粗糙表面。隨機粗糙表面的電磁散射特性研究在國防軍事領域和民用技術領域都具有顯著的學術價值和廣泛的應用前景。隨機粗糙表面的電磁散射研究之所以受到越來越多的關注，最主要的原因在于隨機粗糙表面的電磁散射特性與確定性目標的電磁散射特性有著諸多的區(qū)別。對于確定性目標的散射問題而言，由于目標的輪廓和介電特性已經確定，所以特定的入射角和散射角對應的電磁散射系數也就隨之確定。然而，對于隨機粗糙表面而言，粗糙表面的輪廓隨著時間或者空間隨機地發(fā)生變化，所以其表面輪廓的主要特點是“隨機性”。這一點有別于確定性目標的電磁散射問題，所以，隨機粗糙表面的電磁散射問題專注于研究概率密度分布、統計參數等對粗糙表面的電磁散射特性的影響。鑒于隨機粗糙表面的電磁散射問題在軍事及民用領域有著廣泛的應用，近年來，各個國家都投人大量的人力、物力開展相關的研究工作。例如，美國麻省理工學院的輻射實驗室、美國噴氣推進實驗室和美國海軍實驗室都曾設計出各種遙感雷達系統，這些系統能夠比較精確地測量各種復雜背景表面的電磁散射系數。然而，隨機粗糙表面背景的散射特性通常是隨時間、空間而變化的，并且是與多種參數（土壤濕度、海水鹽分、密度、溫度及幾何尺度等）有關的多元函數，因此，必須長期進行大范圍的測量以得到可靠的實測數據。而隨著計算機與計算技術的發(fā)展，計算機仿真模擬為我們提供了研究隨機粗糙背景散射的一個有效、便捷的途徑。同時，對隨機粗糙面電磁散射機理和物理本質的深入研究，又為隨機粗糙背景電磁散射的實際應用，如復雜背景下目標特征的提取等提供了必要的理論指導。

內容概要

本書介紹了隨機粗糙面散射的基本理論與方法，內容主要包括隨機粗糙面的建模及其電磁散射的計算方法、隨機粗糙面與目標的復合電磁散射以及相關逆問題。    本書可供微波遙感、計算電磁學、電磁成像及復雜環(huán)境下雷達目標特征提取領域的廣大科技工作者閱讀，也可供相關專業(yè)高校師生參考。

書籍目錄

前言第1章 隨機粗糙面建模  1.1 隨機粗糙面相關基本知識  1.2 隨機粗糙面建模的蒙特卡羅方法    1.2.1 一維粗糙面建模的蒙特卡羅方法    1.2.2 二維粗糙面建模的蒙特卡羅方法  1.3 實際動態(tài)粗糙海面及其建模    1.3.1 實際粗糙海面的基本知識    1.3.2 實際動態(tài)粗糙海面的功率譜及蒙特卡羅方法建模    1.3.3 實際動態(tài)粗糙海面的分形模型    1.3.4 海浪波方程  參考文獻第2章 粗糙面電磁散射近似方法  2.1 積分方程方法    2.1.1 散射場和散射功率    2.1.2 散射系數    2.1.3 數值結果及其分析  2.2 Kirchhoff近似方法    2.2.1 求解切向場n×E和命n×H    2.2.2 駐留相位法    2.2.3 標量近似法    2.2.4 數值結果及其分析  2.3 微擾法    2.3.1 散射問題公式    2.3.2 場強幅值的確定    2.3.3 極化系數的確定    2.3.4 散射系數的推導    2.3.5 數值結果及其分析  2.4 小斜率近似方法    2.4.1 小斜率近似的散射振幅    2.4.2 小斜率近似的雙站散射系數    2.4.3 數值結果及其分析  2.5 雙尺度方法    2.5.1 粗糙面電磁散射的雙尺度方法    2.5.2 雙尺度法計算實際粗糙海面的電磁散射系數  參考文獻第3章 粗糙(海)面電磁散射數值方法  3.1 矩量法在一維粗糙面電磁散射中的應用    3.1.1 矩量法的基本原理    3.1.2 矩量法在一維導體粗糙面電磁散射中的應用    3.1.3 矩量法在一維介質粗糙面散射中的應用    3.1.4 數值計算及結果分析  3.2 快速多極子方法在一維大尺度海面掠入射電磁散射中的應用    3.2.1 快速多極子方法    3.2.2 快速多極子方法在導體粗糙面電磁散射中的應用    3.2.3 快速多極子方法在介質粗糙面電磁散射中的應用  3.3 FDTD研究一維粗糙面的電磁散射    3.3.1 FDTD的基本原理    3.3.2 FDTD在一維粗糙面電磁散射中的應用  3.4 TDIE研究一維粗糙面瞬態(tài)散射特性    3.4.1 TDIE的基本原理    3.4.2 TDIE在一維粗糙面瞬態(tài)電磁散射中的應用  3.5 粗糙面電磁散射并行數值計算方法    3.5.1 并行計算基本知識    3.5.2 基于消息傳遞的并行計算    3.5.3 并行矩量法在二維導體粗糙面電磁散射中的應用    3.5.4 并行FDTD在二維粗糙面電磁散射中的應用  參考文獻第4章 分層粗糙面的電磁散射  4.1 錐形波入射下Kirchhoff近似求解一維分層粗糙面電磁散射    4.1.1 錐形波入射下Kirchhoff近似求解單層粗糙面的電磁散射    4.1.2 Kirchhoff近似求解分層粗糙面的電磁散射  4.2 Kirchhoff近似結合矩量法求解一維分層粗糙面電磁散射    4.2.1 基本理論    4.2.2 數值計算結果及討論  4.3 時域有限差分法在分層粗糙面電磁散射中的應用    4.3.1 一維分層粗糙面的FDTD方法研究    4.3.2 二維分層粗糙面的FDTD方法研究  參考文獻第5章 動態(tài)海面散射雜波特征分析  5.1 動態(tài)海面散射雜波的幅值分布    5.1.1 最大似然估計法    5.1.2 分布模型及其參數估計    5.1.3 一維動態(tài)粗糙海面的雜波模擬及統計分析    5.1.4 二維動態(tài)海面雜波特性分析  5.2 動態(tài)海面散射雜波的多普勒譜特性    5.2.1 二維線性海面模型    5.2.2 海面回波多普勒譜頻移    5.2.3 海面回波多普勒譜展寬    5.2.4 數值計算結果與討論  5.3 動態(tài)海面散射雜波的混沌特性    5.3.1 一維動態(tài)粗糙海面后向散射雜波的混沌分析    5.3.2 二維動態(tài)海面后向散射雜波的混沌分析  5.4 分形在動態(tài)海面散射雜波研究中的應用    5.4.1 豪斯多夫測度和豪斯多夫維數    5.4.2 維數的幾種計算方法    5.4.3 海面回波的分維數  參考文獻第6章 粗糙面與目標的復合電磁散射  6.1 矩量法在粗糙面與目標復合電磁散射中的應用    6.1.1 矩量法計算粗糙海面及其上方目標復合電磁散射    6.1.2 矩量法計算粗糙海面與其上方漂浮目標復合電磁散射    6.1.3 矩量法計算粗糙地面與其下方目標復合電磁散射  6.2 Kirchhoff近似與矩量法的混合算法在粗糙面與目標復合散射中的應用  6.3 時域有限差分方法在粗糙面與目標復合電磁散射中的應用    6.3.1 FDTD在一維粗糙海面與二維目標復合電磁散射中的應用    6.3.2 FDTD在一維分層高斯粗糙面與二維目標復合電磁散射中的應用    6.3.3 FDTD在二維高斯粗糙面與二三維目標復合電磁散射中的應用  6.4 雙尺度方法在粗糙海面及其與上方泡沫層復合散射中的應用  6.5 互易性定理在粗糙海面與目標復合電磁散射中的應用    6.5.1 互易性定理用于求解粗糙海面與其上方平板目標的復合電磁散射    6.5.2 互易性定理用于求解粗糙海面與其上方尖錐目標的復合電磁散射  參考文獻第7章 粗糙面電磁散射的相關逆問題  7.1 基于空間場重構理論的粗糙面逆散射算法    7.1.1 頻域逆散射算法    7.1.2 超寬帶脈沖電磁波逆散射算法  7.2 粗糙面統計參數的反演與重構    7.2.1 分數布朗運動粗糙面的分維數重構算法    7.2.2 高斯粗糙面的相關長度和均方根高度的重構算法  7.3 基于遺傳算法和粒子群優(yōu)化的粗糙面參數反演    7.3.1 遺傳算法在粗糙面參數反演方面的應用    7.3.2 粒子群優(yōu)化在海上風速反演方面的應用  7.4 神經網在粗糙面與目標復合散射模型建立中的應用    7.4.1 神經網絡的基本理論    7.4.2 基于RBF神經網絡的粗糙面與目標復合散射模型建立  參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：實際的自然背景，如地面、海面、雪地、沙漠，以及各類人造表面等，均可以看成是二維隨機粗糙面模型。對于一個給定的二維隨機粗糙面，對光波來說可能呈現得很粗糙，而對微波來說卻可能呈現得很光滑，這主要是因為隨機粗糙面的粗糙度是以波長為度量單位的統計參數來表征的。描述隨機粗糙面的統計量除功率譜密度外，還有高度起伏的概率密度函數和均方根高度、相關函數和相關長度、結構函數、特征函數、均方根斜率與曲率半徑等。而在各種實際隨機粗糙面模型中，有一類二維粗糙表面模型只沿著正交坐標系中的一個方向發(fā)生變化，而在另一個方向幾乎不發(fā)生變化。為了便于研究，國內外的學者將這類實際粗糙表面簡化成一維粗糙表面模型。盡管一維粗糙表面是最簡單的粗糙表面模型，但是研究一維粗糙表面模型的電磁散射特性仍然具有重要的實際意義和廣泛的應用價值。本節(jié)通過介紹一維隨機粗糙面的各個相關統計概念來對隨機粗糙面的特性進行詳細說明。

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《隨機粗糙面散射的基本理論與方法》是作者及其所在的項目組對隨機粗糙面散射的基本理論與方法進行的完整的搜集與整理，總結了自2001年起項目組開展的相關科學研究計劃的科研成果，主要包括隨機粗糙面的建模及其電磁散射計算方法、隨機粗糙面與目標的復合電磁散射以及相關逆問題等一系列隨機背景電磁散射熱點問題。 全書共分7章，包括隨機粗糙面建模、粗糙面電磁散射近似方法、粗糙(海)面電磁散射數值方法等?！峨S機粗糙面散射的基本理論與方法》用e-iwt來表示時諧場中的時間因子。

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