武劍,任新成,朱小敏

(延安大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，陜西 延安 716000)

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指數(shù)型分布粗糙地面寬帶后向電磁散射的FDTD研究

武劍,任新成,朱小敏

(延安大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，陜西 延安 716000)

摘要：采用蒙特卡羅方法模擬生成指數(shù)型分布粗糙地面，運(yùn)用時(shí)域有限差分方法(FDTD)研究了高斯脈沖波入射時(shí)粗糙地面的寬帶電磁散射問題。通過數(shù)值計(jì)算得到不同頻率響應(yīng)對應(yīng)的后向散射系數(shù)，分析了粗糙地面相關(guān)長度、高度起伏均方根、土壤濕度和入射角的變化對后向散射系數(shù)的影響，得到了指數(shù)型分布粗糙地面的寬帶后向電磁散射特性。

關(guān)鍵詞：電磁散射；FDTD； 粗糙地面；后向散射系數(shù)；高斯脈沖波

隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，隨機(jī)粗糙面電磁散射問題日漸成為至關(guān)重要的研究課題，廣泛應(yīng)用于微波遙感、風(fēng)場反演和超寬帶雷達(dá)探測等諸多領(lǐng)域。目前，單頻電磁波入射粗糙面時(shí)的電磁散射問題的研究已經(jīng)取得了一些進(jìn)展，任新成等[1]在粗糙地面與上方目標(biāo)復(fù)合電磁散射研究中，利用時(shí)諧場源入射并外推至遠(yuǎn)區(qū)場；張連波等[2]應(yīng)用矩量法，采用脈沖基函數(shù)結(jié)合點(diǎn)匹配技術(shù)研究了三層粗糙面的散射系數(shù)；Wang等[3]用混合方法研究了粗糙面與上方目標(biāo)的復(fù)合電磁散射特性；Sultan-Salem等[4]利用基爾霍夫近似研究了分形粗糙面的電磁散射特性。對于脈沖波入射時(shí)的粗糙面寬帶(超寬帶)電磁散射問題的研究則相對較少[5-6]。但是，實(shí)際上粗糙面寬帶電磁散射對于超寬帶雷達(dá)目標(biāo)成像、叢林透視和低雷達(dá)截面(RCS)目標(biāo)探測的研究[7]，以及超寬帶無線通信技術(shù)的發(fā)展[8]等都具有重要的借鑒意義和實(shí)用價(jià)值。

粗糙面寬帶電磁散射問題傳統(tǒng)上是通過近似解析方法進(jìn)行研究的。但是，近似解析方法大多限于求解單次散射，實(shí)現(xiàn)起來較為簡單，但有一定的適用范圍。隨著研究的進(jìn)一步深入，矩量法[2]、前后向迭代算法[9]、有限元法[10]和時(shí)域有限差分方法(FDTD)[11]等數(shù)值算法得到快速發(fā)展。FDTD由Yee于1966年首次提出[12-13]，與其他數(shù)值方法相比，不僅能節(jié)省計(jì)算機(jī)內(nèi)存，而且具有CPU占用時(shí)間短、計(jì)算效率高等優(yōu)點(diǎn)，因此受到廣泛的關(guān)注。

本文采用指數(shù)型分布粗糙面模擬實(shí)際地面，地面土壤介電常數(shù)利用Wang等[14]的四成分模型，運(yùn)用FDTD方法對高斯脈沖波入射下的粗糙地面進(jìn)行時(shí)域散射研究，所得散射場數(shù)據(jù)由瞬態(tài)場外推后再經(jīng)傅里葉變換獲得頻域信息，得到后向散射系數(shù)隨頻率的變化曲線，分析了粗糙地面相關(guān)長度、高度起伏均方根，土壤濕度和入射角的變化對后向散射系數(shù)的影響，得到了指數(shù)型分布粗糙地面的寬帶后向電磁散射特性。

1粗糙地面模擬與散射模型

1.1粗糙地面模擬

在自然界中，實(shí)際地物表面、海面均可看作是二維隨機(jī)粗糙面。為了便于研究，可以將坐標(biāo)系中一個(gè)方向變化另一個(gè)方向不變的二維模型簡化為一維模型。對于一維粗糙面的研究，同樣具有理論意義和實(shí)際意義。

用蒙特卡羅方法可以模擬生成一維隨機(jī)粗糙面[15]。蒙特卡羅方法又稱線性濾波法，即在頻域用功率譜對其濾波再作逆快速傅里葉變換得到粗糙面的高度起伏。長度為L的一維粗糙面可以由下式生成

(1)

式中，xn=nΔx(n=-N/2+1,…,N/2)表示粗糙面上第n個(gè)采樣點(diǎn)，Δx為采樣間隔；kj=2πj/L，表示離散波數(shù)；F(kj)為f(xn)的傅里葉變換，可由下式計(jì)算

(2)

(3)

式中，δ、l分別為粗糙面高度起伏均方根、相關(guān)長度，k為波數(shù)。

1.2散射模型

圖1為一維隨機(jī)粗糙面電磁散射的幾何示意圖，粗糙面由蒙特卡羅方法模擬生成，x軸上方為自由空間，下方為均勻土壤介質(zhì)。圖2為粗糙面電磁散射的FDTD模型?？倛鲞吔?TF/SF邊界)為平面，上方為散射場區(qū)，下方為總場區(qū)，在總場邊界設(shè)置等效電磁流引入入射波，在散射場區(qū)設(shè)置輸出邊界，從而外推至遠(yuǎn)區(qū)散射場。在FDTD計(jì)算區(qū)域外設(shè)置厚度為10個(gè)網(wǎng)格的各向異性介質(zhì)完全匹配層(UPML)吸收邊界。

圖1　一維粗糙面散射幾何示意圖Fig.1　　Geometry llustration of electromagnetic　scattering of 1D rough surface

圖2　粗糙面散射FDTD模型Fig.2　　FDTD computation model for rough 　surface scattering

2FDTD方法

對于二維問題，電磁波分為TE波和TM波。以TE波為例，F(xiàn)DTD差分公式為：

(4)

(5)

(6)

(4) ～ (6)式中CA(m)、CB(m)、CP(m)、CQ(m)及m的取值見文獻(xiàn)[13]。Δx、Δy分別為FDTD區(qū)域x、y方向的離散網(wǎng)格寬度。同理，根據(jù)TE和TM波之間的對偶關(guān)系，可寫出TM波的FDTD差分公式。

根據(jù)等效原理，設(shè)置等效電磁流，將入射波引入總場區(qū)，而散射場區(qū)沒有入射波。文獻(xiàn)[16]選取了微分高斯脈沖波為入射波，而本文選取高斯脈沖波為入射波，其表達(dá)式為

(7)

式中τ為常數(shù)，決定高斯脈沖的寬度。本文取τ=2/f，此時(shí)頻譜為最大值的4.3%，選用高斯脈沖波使得t0=0.8τ時(shí)，脈沖在起始時(shí)刻近似為0。

為了解決截?cái)噙吔缣巿鲋低蛔兌a(chǎn)生的反射問題，普遍給入射波附加平滑高斯窗函數(shù)

G(x,y)=exp{-[(x-x0)2+(y-y0)2](cosθi/T)2},

(8)

式中θi為入射角,取x0=y0=0。τm應(yīng)滿足以下條件

exp[-(ρmcosθ/T)2]=10-3，

(9)

則T=ρmcosθ/2.6，ρm為中心到邊緣的最小距離。

由于FDTD不能直接計(jì)算電磁散射無限區(qū)域數(shù)據(jù)，因此需在截?cái)噙吔缭O(shè)置吸收邊界條件模擬開域電磁散射過程。本文選取UPML吸收邊界，取10個(gè)網(wǎng)格厚度。以TE波為例，各向異性介質(zhì)Maxwell旋度方程表示為

(10)

(11)

(12)

(10) ～ (12)中ε*、μ*、σ*代表與UPML層相鄰內(nèi)部介質(zhì)的電磁參數(shù)。sx和sy分別為x和y方向的單軸參數(shù)，具體形式見文獻(xiàn)[13]。

通過FDTD計(jì)算得到近場數(shù)據(jù)后，運(yùn)用瞬態(tài)場外推方法可得到遠(yuǎn)區(qū)散射場，再由傅里葉變換獲得遠(yuǎn)區(qū)場的頻域形式。散射系數(shù)定義為

σ=10·log10(NRCS)，

(13)

單位為dB，式中NRCS表示歸一化雷達(dá)散射截面，具體形式為

(14)

式中，r、Es、Ei分別表示觀察點(diǎn)到原點(diǎn)的距離、遠(yuǎn)區(qū)散射場和入射波電場。

3數(shù)值計(jì)算結(jié)果與討論

用上述理論和數(shù)值方法計(jì)算了指數(shù)型分布粗糙地面的后向散射系數(shù)，討論了粗糙面相關(guān)長度、高度起伏均方根，土壤濕度以及入射角對后向散射系數(shù)的影響。具體數(shù)值計(jì)算中，選用TM極化高斯脈沖平面波作為入射波，F(xiàn)DTD的網(wǎng)格寬度為dx=0.5cm，粗糙面的抽樣長度為3 200個(gè)網(wǎng)格，選取50個(gè)粗糙面進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算。如無特殊說明，取入射角θi=30°，土壤類型選擇粉沙壤土，土壤介電常數(shù)利用Wang等[14]的四成分模型進(jìn)行計(jì)算。

3.1粗糙面相關(guān)長度對后向散射系數(shù)的影響

圖3為后向散射系數(shù)σ隨粗糙面相關(guān)長度l的變化關(guān)系。其中粗糙面高度起伏均方根δ=2cm，土壤介電常數(shù)εr=9.968 2-i3.055 6(土壤濕度取mv=0.2g/cm3)。由圖3可知，當(dāng)入射波頻率f<75MHz時(shí)，后向散射系數(shù)σ先在較小的一個(gè)頻域內(nèi)迅速增大，接著急劇減小，在75MHz附近取極小值，并且極小值隨著l的增大而增大，與文獻(xiàn)[16]相比，取得極小值的頻率位置略小于微分高斯脈沖波作為入射源時(shí)的頻率位置；當(dāng)75375MHz時(shí)，σ隨f的增大振蕩地緩慢變化，且σ隨l的增大而減小，不同相關(guān)長度對應(yīng)的σ相差不大?？傊诓煌l率范圍內(nèi)，粗糙面相關(guān)長度對散射系數(shù)的影響不同。

圖3　粗糙面相關(guān)長度對后向散射系數(shù)的影響Fig.3Impact of rough surface correlation length on backward scattering coefficient σ

圖4　粗糙面均方根對后向散射系數(shù)的影響Fig.4Impact of height RMS of rough surface on backward scattering coefficient σ

3.2粗糙面高度起伏均方根對后向散射系數(shù)的影響

圖4為后向散射系數(shù)σ隨粗糙面高度起伏均方根δ的變化關(guān)系圖。計(jì)算中相關(guān)長度l=20cm，土壤介電常數(shù)εr=9.968 2-i3.055 6(土壤濕度mv=0.2g/cm3)。由圖4可知，當(dāng)入射波頻率f<65MHz時(shí)，后向散射系數(shù)σ先在較小的一個(gè)頻域內(nèi)迅速增大，接著急劇減小，在65MHz附近取極小值，并且極小值隨著δ的增大而增大；當(dāng)65500MHz時(shí)，σ隨f的增大振蕩地緩慢變化，且σ隨δ的增大而增大，同一頻率不同δ對應(yīng)的σ相差較大。經(jīng)分析，由于粗糙面高度起伏均方根增大，粗糙面粗糙度增大，導(dǎo)致地面散射增強(qiáng)。

3.3土壤濕度對后向散射系數(shù)的影響

圖5為后向散射系數(shù)σ隨土壤濕度mv的變化關(guān)系圖。計(jì)算過程中取δ=2cm，相關(guān)長度l=20cm，土壤介電常數(shù)根據(jù)四成分模型進(jìn)行計(jì)算，即εr1=4.851 2-i0.802 7(mv1=0.1g/cm3)，εr2=9.9682-i3.0556(mv2=0.2g/cm3)，εr3=25.052 7-i9.7835(mv3=0.4g/cm3)。由圖5可知，當(dāng)入射波頻率f<75MHz時(shí)，σ先在較小的一個(gè)頻域內(nèi)迅速增大，接著急劇減小，在75MHz附近取極小值，σ的極小值不隨mv的變化而變化；當(dāng)75500MHz時(shí)，σ隨f的增大振蕩地緩慢變化，且σ隨mv的增大而增大，同一頻率不同mv對應(yīng)的σ相差不大。經(jīng)分析，這是由于土壤濕度增大使得土壤介電常數(shù)的實(shí)部快速增大，而導(dǎo)致地表面散射增強(qiáng)。

圖5　土壤濕度對后向散射系數(shù)的影響Fig.5　　Impact of soil moisture on backward　scattering coefficient σ

圖6　入射角對后向散射系數(shù)的影響Fig.6　　Impact of incident angle on backward 　scattering coefficient σ

3.4入射角對后向散射系數(shù)的影響

圖6為后向散射系數(shù)σ隨入射角θi的變化關(guān)系。其中取δ=2cm，l=20cm，土壤介電常數(shù)εr=9.968 2-i3.055 6(mv=0.2g/cm3)。由圖6可知，當(dāng)入射波頻率f<55MHz時(shí)，后向散射系數(shù)σ先在較小的一個(gè)頻域內(nèi)迅速增大，接著急劇減小，在55MHz附近取極小值，并且極小值隨著θi的增大而減??；當(dāng)55500MHz時(shí)，σ隨f的增大振蕩地緩慢變化，且σ隨θi的增大而減小，同一頻率不同θi對應(yīng)的σ相差較大?？傊肷浣窃酱?，地面散射越弱。

4結(jié)語

本文研究了高斯脈沖波入射指數(shù)型分布粗糙地面的寬帶電磁散射特性，運(yùn)用FDTD瞬態(tài)場外推的方法進(jìn)行研究，得出了粗糙地面高度起伏相關(guān)長度、均方根、土壤濕度及入射角等參數(shù)對后向散射系數(shù)的影響規(guī)律，結(jié)果表明后向散射系數(shù)隨各參數(shù)變化的規(guī)律比較明顯，但比較復(fù)雜；入射波波源不同，使得后向散射系數(shù)取得極值時(shí)的頻率位置和對應(yīng)的極值也略有不同。當(dāng)然，本文僅討論了一維指數(shù)型粗糙面的寬帶后向散射問題，計(jì)算結(jié)果還有待進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對于其他分布的一維地物表面、二維地物表面等的前向散射問題還有待今后進(jìn)一步地研究。

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FDTDresearchofbroadbandbackwardelectromagneticscattering

fromexponentialdistributionroughlandsurface

WUJian,RENXin-cheng,ZHUXiao-min

(SchoolofPhysicsandElectronicsInformation,Yan'anUniversity,Yan'an716000,China)

Abstract∶We simulate exponential distribution rough land surface with Monte Carlo method.We also address wide-band electromagnetic scattering of rough land surface corresponding to Gaussian pulse incident wave by finite-difference time-domain (FDTD) method.Backward scattering coefficients of different frequency response are obtained through numerical calculation.We further analyze the influences of correlation length, root-mean-square of height fluctuation, soil moisture and incident angle variations on backward scattering coefficient.We eventually acquire wide-band backward electromagnetic scattering characteristics of exponential distribution rough land surface.

Key words∶electromagnetic scattering; FDTD; rough land surface; backward scattering coefficient; Gaussian pulse wave

中圖分類號：TN011

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1002-4026(2015)04-0083-06

作者簡介：武劍(1992-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)榇植诿骐姶派⑸洹?Email：yadxyjswj@163.com

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(61379026)；陜西省科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(工業(yè)攻關(guān))(2014K05-61)；陜西省教育廳科研計(jì)劃(14JK1830)

收稿日期：2014-11-22

DOI:10.3976/j.issn.1002-4026.2015.04.016