粗糙表面散射的数值计算

论文摘要

月表粗糙面散射特性的理论研究在我国“嫦娥计划”发展规划中显得越来越重要，它能够较好地验证辐射计实测结果。目前世界航天强国都朝着深空探测方向发展，探测器上必然会搭载微波辐射计用以测量目标区域的辐射特性，计算模型可以推而广之。论文依托国家“863”重大项目课题，基于计算电磁学中的时域有限差分法（Finite-Difference Time-Domain，FDTD），建立了月球土壤的电磁散射模型，计算出月壤亮度温度并与实测结果进行了对比。目前，对于电大尺寸的粗糙面散射问题，一般采取近似方法（如微扰法）来计算，最明显的优势是计算速度快。但从研究的角度来讲，提高计算精度才是最核心的，这样才可以保证理论结果更趋于实测结果。本文由简单粗糙面散射分析到复杂粗糙面散射分析来阐述时域有限差分法在月壤三维多层粗糙面中的应用。论文首先阐述了国内外几种主流的电磁场数值计算方法，然后详细介绍了一维粗糙面二维FDTD法的基本理论和关键技术，包括FDTD基本迭代公式、计算区域划分、入射波加载、连接边界条件、吸收边界条件、外推边界条件，在数值仿真结果中对比了不同均方根高度对散射系数的影响，对比了双层粗糙面无目标和有目标情况下的散射系数。接下来详细介绍了二维粗糙面三维FDTD法的计算过程，与一维粗糙面类似，在仿真结果中对比了不同均方根高度和不同材料对散射系数的影响。再将理论应用到月壤散射，重点介绍了月球土壤的参数特性包括月壤层密度、介电常数、铁钛含量和水冰含量等，建立了月壤三维多层粗糙面的FDTD电磁散射计算模型，随着粗糙度变化，亮度温度的变化与微扰法计算得到的变化趋势基本吻合，最后对全文进行了总结。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外研究进展
• 1.2.1 时域有限差分法
• 1.2.2 矩量法
• 1.2.3 有限元法
• 1.2.4 本文研究内容
• 第2章 一维粗糙面电磁散射的数值计算
• 2.1 二维 FDTD 法基本理论
• 2.2 一维粗糙面的建立
• 2.3 一维粗糙面 FDTD 散射模型
• 2.3.1 入射波形式
• 2.3.2 二维连接边界条件
• 2.3.3 二维吸收边界条件
• 2.3.4 二维外推边界条件
• 2.4 数值计算结果
• 2.4.1 一维简单粗糙面散射
• 2.4.2 双层介质有耗粗糙面散射
• 2.4.3 均方根高度变化对散射系数的影响
• 2.4.4 一维单层粗糙面与目标复合散射
• 2.4.5 一维双层粗糙面与目标复合散射
• 2.5 本章小结
• 第3章 二维粗糙面电磁散射的数值计算
• 3.1 三维 FDTD 法基本理论
• 3.2 二维粗糙面的建立
• 3.3 二维粗糙面 FDTD 散射模型
• 3.3.1 三维连接边界条件
• 3.3.2 三维吸收边界条件
• 3.3.3 三维外推边界条件
• 3.4 数值计算结果
• 3.4.1 二维单层粗糙面不同均方根高度下散射系数的对比
• 3.4.2 二维单层不同材料粗糙面散射系数的对比
• 3.4.3 二维双层粗糙面不同均方根高度下的散射系数
• 3.4.4 有无目标情况下二维粗糙面的散射系数
• 3.5 本章小结
• 第4章 月壤电磁散射的数值计算
• 4.1 月球土壤参数特性
• 4.2 月壤粗糙面的 FDTD 计算模型
• 4.3 月壤粗糙面电磁散射的仿真结果
• 4.4 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录1 攻读硕士学位期间发表的论文
• 附录2 主要英文缩写语对照表