海面电磁散射特性研究在海洋遥感,雷达探测,目标识别等领域具有重要意义,为反演海洋参数,提高雷达工作性能,改良目标识别算法提供重要的理论支撑和指导作用。海面回波与海情、海况、雷达系统参数以及探测条件等紧密相关,具有非高斯、非平稳、空间分布复杂、随机多变的特点。因此,有关地海面电磁散射特性,尤其是小擦地角高分辨率下海面的后向回波特性的研究一直是极具挑战性的课题。本论文主要基于海面散射模拟试验和电磁学理论建立海面散射模型,建模过程中使用了积分方程法、波束分解法和小斜率近似方法,对海面后向散射的幅度特性和多普勒谱特性进行了研究。论文的主要工作和成果如下:1.从几何上证明了对海面波长和有义波高的缩比,可以等效为高海情和低海情间的缩比关系。通过模拟计算论证了不同频段下海面介电常数差异带来的后向散射系数误差。使用基尔霍夫近似和微扰法证明了粗糙表面后向散射系数满足缩比关系。基于几何缩比和电磁缩比理论,证明了在造波池中模拟中高海情海面后向散射的可行性。将造波池测量结果与暗室定标结果相结合,获得小擦地角不同频段、不同极化和不同海情海面的后向散射系数。2.当使用积分方程法数值研究小擦地角下海面散射特性时,计算所需未知量数目巨大,稀疏矩阵规范网格法将阻抗矩阵分解为稀疏的强相互作用矩阵和具有平移不变性的弱相互作用矩阵。并分别推导了 HH极化和VV极化入射下弱相互作用矩阵的3阶泰勒展开式,从而有效地提高了迭代解法的收敛速度。利用海面上不同距离两点间的相关性和格林函数在介质中的快速衰减特性,将稀疏矩阵规范网格法与物理双网格法相结合,简化介质海面散射计算的未知量数目,实现了小擦地角下大区域海面散射特性的数值求解。将数值计算结果与造波池模拟结果对比,验证了方法的正确性。3.将稀疏矩阵规范网格法用于二维介质积分方程的加速求解,推导了弱相互作用矩阵的5阶泰勒展开,从而实现了二维介质海面的数值求解。在一维波束分解的基础上提出了一种基于高斯波束的二维子波束分解方法。分别将一维和二维子波束分解方法与一维和二维数值积分方程法相结合,计算一维和二维海面的后向散射特性,验证了一维和二维子波束分解的正确性,从而为基于波束分解的海面分区并行计算提供理论基础。4.使用数值积分方程方法研究不同极化不同入射角下一维线性与非线性时变海面的多普勒谱特性。由于二维介质积分方程受内存和计算时间的限制,使用二阶小斜率近似方法研究二维时变海面的多普勒谱特性。并研究了频率、极化、风速、风向、入射角对非线性海面多普勒谱特性的影响。研究结果表明,非线性作用会使得多普勒谱展宽,且非线性作用在一维海面中表现得比二维海面更显著。建立了含洋流的海面模型,并基于二阶小斜率方法计算了洋流海面的多普勒谱特性,并研究了不同海面和电磁参数下含洋流海面多普勒谱的变化,发现在参数相同的条件下,洋流的引入会导致多普勒谱产生显著的展宽。5.建立了基于双层植被的CUDA并行模型,利用寄存器快速存取,共享内存并行求和,异步传输,并行随机数生成和异构运算,不断对模型进行优化处理,充分释放CUDA架构GPU在大规模并行计算上的优势,实现地表植被后向散射的高性能计算。利用并行快速傅里叶变换(FFT)和谱域海面分区计算实现海表面并行建模。通过分块计算矩阵向量乘积,实现并行双共轭梯度法,从而提高了基于积分方程的海面后向散射计算效率。