复杂分层地面的微波遥感电磁散射模型研究

作     者：杨迅 

作者单位：电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：童玲

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 

主      题：复杂分层地面 微波遥感 电磁散射 分解重构法则 宏观介电常数 

摘      要：微波遥感技术具有全天时昼夜工作的能力,能够全天候不受气象条件的影响,并且可以穿透部分地物探测地表下目标,适用于对复杂地面进行宏观、定量的观测。然而,由于地面目标结构的复杂性和相关电磁散射机理研究的滞后性,严重影响了微波遥感对地观测的有效性和定量反演精确度。同时,随着近年来全球范围内携带微波传感器的卫星大量发射升空,世界各国获取到了海量的微波遥感数据,也因此对定量遥感的信息提取能力提出了新的要求。通过分析地面目标与电磁波相互作用建立相关的微波遥感电磁散射模型对于提升微波遥感信息提取能力具有至关重要的作用,是推广微波遥感对地观测技术应用不可或缺的基础。本论文以复杂分层地面与电磁波相互作用的机理研究为理论依据,以地面目标介电特性和散射特性测量实验为数据基础,详细分析了复杂分层地面的轮廓结构对电磁波的调制机理,建立起基于电磁散射计算模型的空间遥感探测模型和基于分层地面宏观介电常数模型的地基信息处理模型,最终形成以宏观介电常数和地面起伏粗糙度参数为中间参量的微波遥感过程模型。本论文的主要研究内容及创新如下:（1）根据对电磁散射解析近似模型计算过程的分析,基于麦克斯韦电磁场理论提出了分解重构法则（Decomposition and Reconstruction Principle,DRP）。该法则描述了通过分型理论将复杂地面轮廓分解成一系列三角函数描述的简单廓线的叠加,那么复杂地面的散射场可以根据这些简单廓线的散射场的线性叠加得到。分解重构法则的提出极大的提升了复杂随机地面电磁散射的计算效率,并且使得对于复杂随机粗糙地面的多尺度电磁散射分析有了理论基础,为雷达遥感精确反演地面轮廓提供了理论依据。（2）基于传统的小扰动电磁散射模型（Small Perturbation Model,SPM）,根据分解重构法则建立了对应的分解重构改进模型（DRP-SPM）。考虑到双尺度模型（Two Scale Model,TSM）利用大尺度粗糙度叠加小尺度粗糙度共同描述复杂地面能够更准确地模拟地表特征,通过将DRP-SPM引入到传统的双尺度模型中建立了分解重构改进的双尺度模型（DRP-TSM）。DRP-SPM和DRP-TSM的建立地简化了传统SPM和TSM的计算过程,并且经过计算结果的对比,分解重构改进的模型具有相同的计算精度。（3）针对分层地面结构,基于计算分层介质散射的体扰动互易构想（Volumetric-Perturbative Reciprocal Formulation,VPRF）建立了分层地面的宏观介电常数模型（Macroscopic Dielectric Constant Model,MDCM）。该模型利用分层地面电磁散射的宏观等效,将复杂分层地面下的粗糙面分层结构对电磁散射的影响统一到宏观介电常数的参数变化上,一定程度上解决了定量遥感参数病态反演的问题。同时,根据扰动法适用条件详细讨论了宏观介电常数模型适用范围。（4）利用微波暗室内天线测量系统完成了海面在不同风速下四个波段（L波段、S波段、C波段、X波段）,全极化（HH、HV、VH、VV）,不同入射角的后向散射系数测量实验。实验数据结合使用陆基散射计实地测量海面后向散射系数的结果与分解重构改进的电磁散射模型的仿真结果进行对比,在误差范围内验证了模型的正确性和有效性。