非线性海面电磁散射的计算和回波特性分析一直是海面电磁散射研究领域的难点与热点问题。目前,在海面电磁散射计算中常常采用数值方法或近似方法。数值方法计算精度高,但当海面为电大尺寸时又普遍存在计算效率低的问题。相对于数值方法,近似方法计算效率较高,但在大入射角时计算精度变得较差。在保证计算精度的前提下,如何提高近似方法适用范围以实现电大尺寸海面的电磁散射研究已成为计算电磁学中的艰巨任务。另一方面,电大尺寸海面几何建模是海面电磁散射特性分析的前提和重点,而线性海面只是对单纯涌浪或风浪的粗糙模拟,如何加上风、浪及波间相互作用的非线性效应来较准确地实现海面的几何建模是至关重要的基础环节。当海面风速增大时,含泡沫、破碎浪的海面属于典型的能反映波浪之间相互作用的非线性海面,而泡沫又分为浪峰泡沫(Stage A)和静态泡沫(Stage B)两个阶段,且不同泡沫阶段有不同的泡沫厚度及覆盖率,如何采用有效的方法确定同一海况下同时存在Stage A和Stage B的覆盖比例,以及建立这种情况下的电磁散射模型对全面且正确的分析泡沫覆盖海面电磁散射起到重要作用。当海浪从深海区域传播到浅海区域时,海浪的潮流与海底地形的相互作用会导致海面粗糙度在空间位置上发生不同变化,如何建立浅海海面几何模型及海底地形对海面的调制作用是分析浅海海面电磁散射特性的基础。本文着眼于快速准确的计算电大尺寸非线性海面的电磁散射需求,对非线性海面的电磁散射和回波特性展开了系统研究,主要分析了近似方法在海面电磁散射计算中的适用范围,建立了快速且较准确计算电大尺寸海面的电磁散射模型。分析了高海况下泡沫覆盖海面的电磁散射特性,研究了海底地形与潮流的相互作用对浅海海面的调制机制。本文的研究工作主要从以下几个方面展开:1.在电大尺寸海面电磁散射计算中,数值方法虽然计算精度高,但其效率低,而较常用的近似方法-双尺度(Two Scale Model,TSM)混合模型是将基尔霍夫近似(Kirchhoff approximation,KA)和微扰法(Small Perturbation Method,SPM)相结合,但截断波数的选取对电磁散射的结果影响较大。在保证计算精度的前提下,结合各近似方法的适用范围以及计算效率,采用积分方程法(Integral Equation Method,IEM)代替TSM中的SPM,并提出自适应截断波数的计算方法,与传统的双尺度模型相比,新模型的计算精度更高。2.基于电磁散射贡献面元化思想,建立了海面面元双尺度散射模型,用IEM计算每个小面元的布拉格散射,再用KA计算每个小面元的镜向散射。当海面风速增大时,运用面元散射模型分析了无泡沫覆盖海面面元的电磁散射,用多层介质散射模型分析了泡沫覆盖海面面元的电磁散射,最后将所有面元的散射场叠加得到总散射场。并提出了自适应型Stage A和Stage B的覆盖占比,建立了不同海况下的泡沫覆盖海面电磁散射模型。3.当海浪从深海传播到浅海时,浅海海面的几何模型与深海是不同的,本文提出了将海浪谱方法与规则波浪相结合生成受海底地形影响的浅海海面几何模型,既反映了海浪的随机波动特性,又反映了浅海的折射效应。基于布拉格散射机制,分析了浅海区域潮流与海底地形的相互作用,实现了不同参数下海底地形对海面的调制作用随空间位置的变化趋势,较准确地预估了海底地形对海面的调制作用。4.基于海上实测回波数据,分析了不同海况下实测数据海杂波的多普勒频谱和幅度分布特性。同时基于提出的面元散射模型,对不同风区海面、潜艇内波等不同海场景做了成像分析。