分層介質粗糙面電磁散射系數的確定方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于雷達電磁仿真技術領域，主要涉及粗糙面電磁散射系數的確定方法， 可用于地海背景下目標電磁特性分析中獲取背景粗糙面的某些特性。
【背景技術】
[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構，對這樣的分層介 質粗糙面的電磁散射研宄在理論分析與實際應用中具有重要的意義。當機載或者星載雷達 對分層介質粗糙面等背景中的目標進行電磁探測時，雷達的回波信號中包含了分層介質粗 糙面背景的電磁散射信號，通過分析這些回波信號，進而可以得出分層粗糙面的某些特性。
[0003] 在過去的幾十年中，許多電磁仿真技術被學者提出用以處理地海面的電磁散射問 題，大致分為解析方法和數值方法。數值方法因能保持較高的仿真精度被廣泛的應用，但是 對計算機配置要求高，內存消耗較大，同時耗費大量的機時。相比于數值方法，解析方法的 優點是消耗內存低、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 析解的適用性和準確性有待驗證。對分層介質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，但這些解的計算大多需要冗長的數學 推導、缺乏合理的物理解釋且僅適用于粗糙面層數較少的情況，無法準確分析背景粗糙面 的電磁特性。

【發明內容】

[0004] 本發明的目的在于克服已有技術的不足，提供一種分層介質粗糙面電磁散射系數 確定的方法，以簡化計算過程，獲得任意多層粗糙面的電磁散射系數，提高背景粗糙面的特 性分析準確性。
[0005] 為實現上述目的，本發明的技術方案包括如下步驟：
[0006] (1)建立任意多層由（N+1)種介質和N個平面組成的介質平面幾何模型，設每種 介質的相對磁導率均為1，自上而下第s種介質相對介電系數為es，s = {〇, 1，2. . .N}，第 m個平面的深度為-d^m= {0, 1，2. . .N-1}，(!_"為非負且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；
[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平面幾何模 型的第一個平面上，選取直角坐標系并定義入射電場，利用廣義反射系數和透射系數，計算 得到所述分層介質平面幾何模型各種介質內的零階電場；
[0008] (3)將所述分層介質平面幾何模型中的所有平面均換成由二維隨機過程產生的粗 糙面，即為分層介質粗糙面幾何模型，利用Heaviside單位階躍函數來表示分層介質平面 幾何模型和分層介質粗糙面幾何模型的相對介電系數，并得到化簡后兩種模型的相對介電 系數之差；
[0009](4)將體擾動理論應用于分層介質粗糙面幾何模型中，結合步驟（2)和步驟（3)， 得到分層介質粗糙面的一階擾動場：
【主權項】
1. 一種分層介質粗糙面電磁散射系數的確定方法，包括如下步驟： (1) 建立任意多層由（N+1)種介質和N個平面組成的介質平面幾何模型，設每種介質 的相對磁導率均為1，自上而下第s種介質相對介電系數為e s，S= {〇，1，2...?，第!11個 平面的深度為-4, m = {0, 1，2. . . N-l}，(Ini為非負且(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； (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平面幾何模型的 第一個平面上，選取直角坐標系并定義入射電場，利用廣義反射系數和透射系數，計算得到 所述分層介質平面幾何模型各種介質內的零階電場； (3) 將所述分層介質平面幾何模型中的所有平面均換成由二維隨機過程產生的粗糙 面，即為分層介質粗糙面幾何模型，利用Heaviside單位階躍函數來表示分層介質平面幾 何模型和分層介質粗糙面幾何模型的相對介電系數，并得到化簡后兩種模型的相對介電系 數之差； (4) 將體擾動理論應用于分層介質粗糙面幾何模型中，利用互易性原理，結合步驟（2) 和步驟（3)，得到分層介質粗糙面的一階擾動場：
其中：和是一階散射場(r(1)在單位矢量F和單位矢量&上的投影， O是平面分層結構上高度起伏函數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，紀和穴是垂直于1^的平面上任意兩個互相 垂直的單位矢量，A為原點到場點的距離，0_+1(k%k;)是第m層粗糙面的電磁散射系數，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，ε m+1為第m+1層 介質的相對介電常數，ε m為第m層介質的相對介電常數，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，（和&為入射波矢和散射波矢在x〇y面上投影的模，λ:'和紀 為橫向單位矢量，S為縱向單位矢量，和為第m層介質內入射波矢和散射波矢在ζ軸 上投影的模，kzm為第m層介質內的空間波數在z軸上投影的模，z為模型內任意點位置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 系數和透射系數，P e {h，v}表示極化方式，q e {i，s}表示入射和散射標志，j表示虛數單 位； (5)根據得到的零階電場El^r)和一階擾動場El；%)組成總散射場
,得到分層介質粗糙面的電磁散射系數σ (0s):
其中，Θ s是雷達的散射角度，r是場點到坐標原點的距離，E i是入射電場。
2.根據權利要求1所述的分層介質粗糙面電磁散射系數的確定方法，其特征在于：步 驟（2)所述的利用廣義反射系數和透射系數，計算得到所述分層介質平面幾何模型各種介 質內的零階電場，按如下步驟進行： (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 上，在局部直角坐標系.
下，入射電場表示如下：
其中r= (ri，z)是空間位置坐標，咬'是入射波在單位矢量紀和和單位矢量 巧方向的分量，
且紀和％是 垂直于K的平面上任意兩個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 直角坐標系下，xyz三個方向上的單位矢量。 (2