风场驱动下海洋表面微波散射理论分析和数值模拟研究

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随机粗糙表面电磁散射因为其广泛的应用背景,一直受到众多学者的关注。本论文对风场驱动下的海洋表面的微波散射特性进行了理论分析和数值模拟研究。小扰动模型适合于表面特征长度相对于入射波长较小、粗糙度较低的随机粗糙表面散射问题;而基尔霍夫模型则适合于表面特征长度相对于入射波长较大的大尺度特征表面散射问题。由于海洋表面同时包含了小尺度和大尺度特性,本文在微扰理论和基尔霍夫模型的基础上,对两者进行了拟合,运用双尺度模型模拟海洋表面的电磁散射。同时,用数值方法进行模拟,以便检验近似理论模型的适用性。数值模拟基于表面积分方程矩量法,求解技术基于稀疏矩阵规范网格法。由于在微波频段下,海水的介电常数的实部和虚部都很大,可以利用阻抗边界条件,使得分析速度加快。使用单机可以模拟面积达到256平方波长的海面区域,未知量超过5万个。为了模拟更大的表面区域,还发展了波束分解算法,把求解一个大表面区域问题转化为许多小区域问题,然后通过相干合成得到原来大波束的散射结果。数值分析结果表明,在较低海况条件下(风速<40m/s),双尺度模型与数值模拟结果相当吻合。
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