隨機(jī)粗糙面散射的基本理論與方法

前言

電磁問(wèn)題，按照特點(diǎn)可以分為散射、輻射和傳播三類，其中，散射問(wèn)題是最基本的問(wèn)題，在一定程度上，輻射問(wèn)題和散射問(wèn)題是相互融合的，而波的傳播問(wèn)題，在許多情況下，依賴于對(duì)傳播介質(zhì)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(jī)粗糙表面的電磁散射特性研究在國(guó)防軍事領(lǐng)域和民用技術(shù)領(lǐng)域都具有顯著的學(xué)術(shù)價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景。隨機(jī)粗糙表面的電磁散射研究之所以受到越來(lái)越多的關(guān)注，最主要的原因在于隨機(jī)粗糙表面的電磁散射特性與確定性目標(biāo)的電磁散射特性有著諸多的區(qū)別。對(duì)于確定性目標(biāo)的散射問(wèn)題而言，由于目標(biāo)的輪廓和介電特性已經(jīng)確定，所以特定的入射角和散射角對(duì)應(yīng)的電磁散射系數(shù)也就隨之確定。然而，對(duì)于隨機(jī)粗糙表面而言，粗糙表面的輪廓隨著時(shí)間或者空間隨機(jī)地發(fā)生變化，所以其表面輪廓的主要特點(diǎn)是“隨機(jī)性”。這一點(diǎn)有別于確定性目標(biāo)的電磁散射問(wèn)題，所以，隨機(jī)粗糙表面的電磁散射問(wèn)題專注于研究概率密度分布、統(tǒng)計(jì)參數(shù)等對(duì)粗糙表面的電磁散射特性的影響。鑒于隨機(jī)粗糙表面的電磁散射問(wèn)題在軍事及民用領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，近年來(lái)，各個(gè)國(guó)家都投人大量的人力、物力開展相關(guān)的研究工作。例如，美國(guó)麻省理工學(xué)院的輻射實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室和美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室都曾設(shè)計(jì)出各種遙感雷達(dá)系統(tǒng)，這些系統(tǒng)能夠比較精確地測(cè)量各種復(fù)雜背景表面的電磁散射系數(shù)。然而，隨機(jī)粗糙表面背景的散射特性通常是隨時(shí)間、空間而變化的，并且是與多種參數(shù)（土壤濕度、海水鹽分、密度、溫度及幾何尺度等）有關(guān)的多元函數(shù)，因此，必須長(zhǎng)期進(jìn)行大范圍的測(cè)量以得到可靠的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。而隨著計(jì)算機(jī)與計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)仿真模擬為我們提供了研究隨機(jī)粗糙背景散射的一個(gè)有效、便捷的途徑。同時(shí)，對(duì)隨機(jī)粗糙面電磁散射機(jī)理和物理本質(zhì)的深入研究，又為隨機(jī)粗糙背景電磁散射的實(shí)際應(yīng)用，如復(fù)雜背景下目標(biāo)特征的提取等提供了必要的理論指導(dǎo)。

內(nèi)容概要

本書介紹了隨機(jī)粗糙面散射的基本理論與方法，內(nèi)容主要包括隨機(jī)粗糙面的建模及其電磁散射的計(jì)算方法、隨機(jī)粗糙面與目標(biāo)的復(fù)合電磁散射以及相關(guān)逆問(wèn)題。    本書可供微波遙感、計(jì)算電磁學(xué)、電磁成像及復(fù)雜環(huán)境下雷達(dá)目標(biāo)特征提取領(lǐng)域的廣大科技工作者閱讀，也可供相關(guān)專業(yè)高校師生參考。

書籍目錄

前言第1章 隨機(jī)粗糙面建模  1.1 隨機(jī)粗糙面相關(guān)基本知識(shí)  1.2 隨機(jī)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(shí)際動(dòng)態(tài)粗糙海面及其建模    1.3.1 實(shí)際粗糙海面的基本知識(shí)    1.3.2 實(shí)際動(dòng)態(tài)粗糙海面的功率譜及蒙特卡羅方法建模    1.3.3 實(shí)際動(dòng)態(tài)粗糙海面的分形模型    1.3.4 海浪波方程  參考文獻(xiàn)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(chǎng)和散射功率    2.1.2 散射系數(shù)    2.1.3 數(shù)值結(jié)果及其分析  2.2 Kirchhoff近似方法    2.2.1 求解切向場(chǎng)n×E和命n×H    2.2.2 駐留相位法    2.2.3 標(biāo)量近似法    2.2.4 數(shù)值結(jié)果及其分析  2.3 微擾法    2.3.1 散射問(wèn)題公式    2.3.2 場(chǎng)強(qiáng)幅值的確定    2.3.3 極化系數(shù)的確定    2.3.4 散射系數(shù)的推導(dǎo)    2.3.5 數(shù)值結(jié)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(shù)    2.4.3 數(shù)值結(jié)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(jì)算實(shí)際粗糙海面的電磁散射系數(shù)  參考文獻(xiàn)第3章 粗糙(海)面電磁散射數(shù)值方法  3.1 矩量法在一維粗糙面電磁散射中的應(yīng)用    3.1.1 矩量法的基本原理    3.1.2 矩量法在一維導(dǎo)體粗糙面電磁散射中的應(yīng)用    3.1.3 矩量法在一維介質(zhì)粗糙面散射中的應(yīng)用    3.1.4 數(shù)值計(jì)算及結(jié)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(yīng)用    3.2.1 快速多極子方法    3.2.2 快速多極子方法在導(dǎo)體粗糙面電磁散射中的應(yīng)用    3.2.3 快速多極子方法在介質(zhì)粗糙面電磁散射中的應(yīng)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(yīng)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(yīng)用  3.5 粗糙面電磁散射并行數(shù)值計(jì)算方法    3.5.1 并行計(jì)算基本知識(shí)    3.5.2 基于消息傳遞的并行計(jì)算    3.5.3 并行矩量法在二維導(dǎo)體粗糙面電磁散射中的應(yīng)用    3.5.4 并行FDTD在二維粗糙面電磁散射中的應(yīng)用  參考文獻(xiàn)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(jié)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(shù)值計(jì)算結(jié)果及討論  4.3 時(shí)域有限差分法在分層粗糙面電磁散射中的應(yīng)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(xiàn)第5章 動(dòng)態(tài)海面散射雜波特征分析  5.1 動(dòng)態(tài)海面散射雜波的幅值分布    5.1.1 最大似然估計(jì)法    5.1.2 分布模型及其參數(shù)估計(jì)    5.1.3 一維動(dòng)態(tài)粗糙海面的雜波模擬及統(tǒng)計(jì)分析    5.1.4 二維動(dòng)態(tài)海面雜波特性分析  5.2 動(dòng)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(shù)值計(jì)算結(jié)果與討論  5.3 動(dòng)態(tài)海面散射雜波的混沌特性    5.3.1 一維動(dòng)態(tài)粗糙海面后向散射雜波的混沌分析    5.3.2 二維動(dòng)態(tài)海面后向散射雜波的混沌分析  5.4 分形在動(dòng)態(tài)海面散射雜波研究中的應(yīng)用    5.4.1 豪斯多夫測(cè)度和豪斯多夫維數(shù)    5.4.2 維數(shù)的幾種計(jì)算方法    5.4.3 海面回波的分維數(shù)  參考文獻(xiàn)第6章 粗糙面與目標(biāo)的復(fù)合電磁散射  6.1 矩量法在粗糙面與目標(biāo)復(fù)合電磁散射中的應(yīng)用    6.1.1 矩量法計(jì)算粗糙海面及其上方目標(biāo)復(fù)合電磁散射    6.1.2 矩量法計(jì)算粗糙海面與其上方漂浮目標(biāo)復(fù)合電磁散射    6.1.3 矩量法計(jì)算粗糙地面與其下方目標(biāo)復(fù)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(biāo)復(fù)合散射中的應(yīng)用  6.3 時(shí)域有限差分方法在粗糙面與目標(biāo)復(fù)合電磁散射中的應(yīng)用    6.3.1 FDTD在一維粗糙海面與二維目標(biāo)復(fù)合電磁散射中的應(yīng)用    6.3.2 FDTD在一維分層高斯粗糙面與二維目標(biāo)復(fù)合電磁散射中的應(yīng)用    6.3.3 FDTD在二維高斯粗糙面與二三維目標(biāo)復(fù)合電磁散射中的應(yīng)用  6.4 雙尺度方法在粗糙海面及其與上方泡沫層復(fù)合散射中的應(yīng)用  6.5 互易性定理在粗糙海面與目標(biāo)復(fù)合電磁散射中的應(yīng)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(biāo)的復(fù)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(biāo)的復(fù)合電磁散射  參考文獻(xiàn)第7章 粗糙面電磁散射的相關(guān)逆問(wèn)題  7.1 基于空間場(chǎng)重構(gòu)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(tǒng)計(jì)參數(shù)的反演與重構(gòu)    7.2.1 分?jǐn)?shù)布朗運(yùn)動(dòng)粗糙面的分維數(shù)重構(gòu)算法    7.2.2 高斯粗糙面的相關(guān)長(zhǎng)度和均方根高度的重構(gòu)算法  7.3 基于遺傳算法和粒子群優(yōu)化的粗糙面參數(shù)反演    7.3.1 遺傳算法在粗糙面參數(shù)反演方面的應(yīng)用    7.3.2 粒子群優(yōu)化在海上風(fēng)速反演方面的應(yīng)用  7.4 神經(jīng)網(wǎng)在粗糙面與目標(biāo)復(fù)合散射模型建立中的應(yīng)用    7.4.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本理論    7.4.2 基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的粗糙面與目標(biāo)復(fù)合散射模型建立  參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：實(shí)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(jī)粗糙面模型。對(duì)于一個(gè)給定的二維隨機(jī)粗糙面，對(duì)光波來(lái)說(shuō)可能呈現(xiàn)得很粗糙，而對(duì)微波來(lái)說(shuō)卻可能呈現(xiàn)得很光滑，這主要是因?yàn)殡S機(jī)粗糙面的粗糙度是以波長(zhǎng)為度量單位的統(tǒng)計(jì)參數(shù)來(lái)表征的。描述隨機(jī)粗糙面的統(tǒng)計(jì)量除功率譜密度外，還有高度起伏的概率密度函數(shù)和均方根高度、相關(guān)函數(shù)和相關(guān)長(zhǎng)度、結(jié)構(gòu)函數(shù)、特征函數(shù)、均方根斜率與曲率半徑等。而在各種實(shí)際隨機(jī)粗糙面模型中，有一類二維粗糙表面模型只沿著正交坐標(biāo)系中的一個(gè)方向發(fā)生變化，而在另一個(gè)方向幾乎不發(fā)生變化。為了便于研究，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者將這類實(shí)際粗糙表面簡(jiǎn)化成一維粗糙表面模型。盡管一維粗糙表面是最簡(jiǎn)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(shí)際意義和廣泛的應(yīng)用價(jià)值。本節(jié)通過(guò)介紹一維隨機(jī)粗糙面的各個(gè)相關(guān)統(tǒng)計(jì)概念來(lái)對(duì)隨機(jī)粗糙面的特性進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

編輯推薦

《隨機(jī)粗糙面散射的基本理論與方法》是作者及其所在的項(xiàng)目組對(duì)隨機(jī)粗糙面散射的基本理論與方法進(jìn)行的完整的搜集與整理，總結(jié)了自2001年起項(xiàng)目組開展的相關(guān)科學(xué)研究計(jì)劃的科研成果，主要包括隨機(jī)粗糙面的建模及其電磁散射計(jì)算方法、隨機(jī)粗糙面與目標(biāo)的復(fù)合電磁散射以及相關(guān)逆問(wèn)題等一系列隨機(jī)背景電磁散射熱點(diǎn)問(wèn)題。 全書共分7章，包括隨機(jī)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(shù)值方法等?！峨S機(jī)粗糙面散射的基本理論與方法》用e-iwt來(lái)表示時(shí)諧場(chǎng)中的時(shí)間因子。

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