三维海面电磁散射问题的研究无论在民用还是军事领域都具有重要意义。特别是三维电大尺寸海面散射问题的研究仍然存在许多难点。第一,入射频率的不断增加必然带来的巨大计算负担,如何在保证计算精度的前提下,实现三维电大尺寸海面散射快速建模成为一项艰巨的任务;第二,卷浪属于一种非线性海浪,目前仍然没有一种十分有效的建模方法能够有效模拟卷浪区域的海浪形态。第三,“海尖峰”一直是海杂波研究中的一个难点问题,对于“海尖峰”现象产生的物理机理有待进一步加深。破碎波被认为是产生“海尖峰”现象的主要原因之一,而破碎波主要发生在卷浪区域,卷浪的形态在生成过程中是不断变化的,从而使问题变得更加复杂。另外,沙漠地形作为一种特殊的粗糙面,其电磁散射的研究对于预报沙尘暴,防沙控沙等工作都有着重要的意义。本文主要围绕电大尺寸粗糙(海)面散射特性及并行加速技术展开研究,建立了三维电大尺寸海面散射快速计算模型以及含卷浪的三维局部海面散射模型,系统地分析了电大尺寸海面散射特性和“海尖峰”现象形成的物理机理。同时,对包含新月形沙丘的沙漠地形进行模拟,分析了新月形沙丘散射特性。论文工作主要从以下几个方面展开:1.将双尺度思想与射线追踪相结合,提出一种基于双尺度模型的射线追踪加速技术,该算法与传统的射线追踪加速算法相比,能够有效减少初始射线个数和射线与面元求交次数,减少计算时间,从而实现三维电大尺寸海面电磁散射的快速建模。2.根据双尺度射线追踪加速算法和图形处理单元(GPU)架构的特点,提出一种基于统一设备架构(CUDA)的双尺度射线追踪并行加速技术。由于每个射线的追踪过程是相互独立的,因此为每个GPU线程分配一根射线,利用GPU强大的并行处理能力,所有射线并行追踪,极大地缩短了计算时间。另一方面,采用异步传输和共享存储器对并行双尺度射线追踪算法进行优化,进一步减少计算时间。本文利用基于CUDA的双尺度射线追踪并行加速技术实现了三维电大尺寸海面散射特性快速建模,重点讨论了不同线程块尺寸、流个数以及各项优化技术对并行计算时间的影响。3.详细地介绍了二维改进时变卷浪模型,并在此基础上建立了三维时变卷浪模型,卷浪模型的浪高和浪长与风速有关,同时将卷浪模型与海面相结合得到含卷浪的三维局部海面初步模型,该模型能够反映含卷浪的三维局部海面的基本特点。利用积分方程法对不同风速、不同卷浪形态下,含卷浪三维局部海面后向散射特性进行了分析,进一步讨论了“海尖峰”现象形成的物理机理。4.进一步完善了含卷浪的三维局部海面模型,考虑卷浪表面的微粗糙,并采用正弦波模拟卷浪和海面的交界处,使得模型更加接近真实情况。在此基础上,提出一种基于CUDA的并行积分方程加速算法,实现了含卷浪的三维局部海面散射特性快速建模,并充分讨论了海面尺寸对散射结果的影响。5.针对沙漠地形进行建模,在新月形沙丘的数学模型的基础上,运用风积理论仿真了风积新月形沙丘模型,利用并行积分方程法分析了风积新月形沙丘散射特性,讨论了迎风坡、背风坡、侧坡四个不同方向入射时的散射特性以及沙丘几何结构对散射结果的影响。