分层介质粗糙面电磁散射系数的确定方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于雷达电磁仿真技术领域，主要涉及粗糙面电磁散射系数的确定方法， 可用于地海背景下目标电磁特性分析中获取背景粗糙面的某些特性。
【背景技术】
[0002] 在自然界的粗糙面背景中，有许多类似于油膜海面的分层结构，对这样的分层介 质粗糙面的电磁散射研宄在理论分析与实际应用中具有重要的意义。当机载或者星载雷达 对分层介质粗糙面等背景中的目标进行电磁探测时，雷达的回波信号中包含了分层介质粗 糙面背景的电磁散射信号，通过分析这些回波信号，进而可以得出分层粗糙面的某些特性。
[0003] 在过去的几十年中，许多电磁仿真技术被学者提出用以处理地海面的电磁散射问 题，大致分为解析方法和数值方法。数值方法因能保持较高的仿真精度被广泛的应用，但是 对计算机配置要求高，内存消耗较大，同时耗费大量的机时。相比于数值方法，解析方法的 优点是消耗内存低、分析速度快，然而解析方法是基于特定的近似，其精度往往较低，且解 析解的适用性和准确性有待验证。对分层介质粗糙面电磁散射的研宄常常采用微扰法，微 扰法基于不同的近似虽可以得到不同形式的解析解，但这些解的计算大多需要冗长的数学 推导、缺乏合理的物理解释且仅适用于粗糙面层数较少的情况，无法准确分析背景粗糙面 的电磁特性。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于克服已有技术的不足，提供一种分层介质粗糙面电磁散射系数 确定的方法，以简化计算过程，获得任意多层粗糙面的电磁散射系数，提高背景粗糙面的特 性分析准确性。
[0005] 为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下步骤：
[0006] (1)建立任意多层由（N+1)种介质和N个平面组成的介质平面几何模型，设每种 介质的相对磁导率均为1，自上而下第s种介质相对介电系数为es，s = {〇, 1，2. . .N}，第 m个平面的深度为-d^m= {0, 1，2. . .N-1}，(!_"为非负且de0,两相邻平面间的距离为At =dt-dH，t= {1，2. ? ?N-l}，其中N为大于1的整数；
[0007] (2)将任意极化方式的单频率平面波从上半空间入射到所述分层介质平面几何模 型的第一个平面上，选取直角坐标系并定义入射电场，利用广义反射系数和透射系数，计算 得到所述分层介质平面几何模型各种介质内的零阶电场；
[0008] (3)将所述分层介质平面几何模型中的所有平面均换成由二维随机过程产生的粗 糙面，即为分层介质粗糙面几何模型，利用Heaviside单位阶跃函数来表示分层介质平面 几何模型和分层介质粗糙面几何模型的相对介电系数，并得到化简后两种模型的相对介电 系数之差；
[0009](4)将体扰动理论应用于分层介质粗糙面几何模型中，结合步骤（2)和步骤（3)， 得到分层介质粗糙面的一阶扰动场：
【主权项】
1. 一种分层介质粗糙面电磁散射系数的确定方法，包括如下步骤： (1) 建立任意多层由（N+1)种介质和N个平面组成的介质平面几何模型，设每种介质 的相对磁导率均为1，自上而下第s种介质相对介电系数为e s，S= {〇，1，2...?，第!11个 平面的深度为-4, m = {0, 1，2. . . N-l}，(Ini为非负且(Itl= 0,两相邻平面间的距离为Δ t = Clt-C^1, t = {1，2. . . N-1}，其中 N 为大于 1 的整数； (2) 将任意极化方式的单频率平面波从上半空间入射到所述分层介质平面几何模型的 第一个平面上，选取直角坐标系并定义入射电场，利用广义反射系数和透射系数，计算得到 所述分层介质平面几何模型各种介质内的零阶电场； (3) 将所述分层介质平面几何模型中的所有平面均换成由二维随机过程产生的粗糙 面，即为分层介质粗糙面几何模型，利用Heaviside单位阶跃函数来表示分层介质平面几 何模型和分层介质粗糙面几何模型的相对介电系数，并得到化简后两种模型的相对介电系 数之差； (4) 将体扰动理论应用于分层介质粗糙面几何模型中，利用互易性原理，结合步骤（2) 和步骤（3)，得到分层介质粗糙面的一阶扰动场：
其中：和是一阶散射场(r(1)在单位矢量F和单位矢量&上的投影， O是平面分层结构上高度起伏函数ζπ〇·ι)的二维傅里叶变换，<，是入射 波在单位矢量/?和和单位矢量1?方向的分量，纪和穴是垂直于1^的平面上任意两个互相 垂直的单位矢量，A为原点到场点的距离，0_+1(k%k;)是第m层粗糙面的电磁散射系数，由
组成，分别代表垂直-垂直极 化、垂直-水平极化、水平-垂直极化和水平-水平极化的电磁散射系数，ε m+1为第m+1层 介质的相对介电常数，ε m为第m层介质的相对介电常数，k哺k s分别为入射波矢量和散射 波矢量，h是真空中的波数，（和&为入射波矢和散射波矢在x〇y面上投影的模，λ:'和纪 为横向单位矢量，S为纵向单位矢量，和为第m层介质内入射波矢和散射波矢在ζ轴 上投影的模，kzm为第m层介质内的空间波数在z轴上投影的模，z为模型内任意点位置r的 在z轴上投影的模，为中间变量，%",呢）是第m层平面的广义反射 系数和透射系数，P e {h，v}表示极化方式，q e {i，s}表示入射和散射标志，j表示虚数单 位； (5)根据得到的零阶电场El^r)和一阶扰动场El；%)组成总散射场
,得到分层介质粗糙面的电磁散射系数σ (0s):
其中，Θ s是雷达的散射角度，r是场点到坐标原点的距离，E i是入射电场。
2.根据权利要求1所述的分层介质粗糙面电磁散射系数的确定方法，其特征在于：步 骤（2)所述的利用广义反射系数和透射系数，计算得到所述分层介质平面几何模型各种介 质内的零阶电场，按如下步骤进行： (2a)将任意极化的单频率平面波以(0,祝）的入射角从上半空间入射到平面分层介质 上，在局部直角坐标系.
下，入射电场表示如下：
其中r= (ri，z)是空间位置坐标，咬'是入射波在单位矢量纪和和单位矢量 巧方向的分量，
且纪和％是 垂直于K的平面上任意两个互相垂直的单位矢量，入射波的方向由入射波矢量确定：
i是入射波矢量在z=0平面的 二维投影，&是入射波矢量在z = 0平面二维投影方向上的单位矢量，是入射波矢量在 z轴上的投影，^为与z轴正向的夹角，W为ki与X轴正向的夹角，i,：f，,i分别表示全局 直角坐标系下，xyz三个方向上的单位矢量。 (2