复杂地海环境与目标复合散射建模新方法研究

Theoretical prediction and numerical modeling of electromagnetic scattering characteristics of target has important theoretical value and urgent engineering needs. Except for flying targets in space or air, most targets are always situated in a complex ground or sea environment. Therefore, the composite scattering analysis of target and complex environment becomes an unavoidable fundamental research topic. Unfortunately however, due to the random and time-varying property of the ground or sea surface, the modeling of such composite scattering is very difficult. In this project, we maximally extract the deterministic factor of the random, time-varying, complex ground or sea environment, setup a deterministic model of the half-space background medium, and then study new methodologies for composite scattering of target and environment. The main contents include: (1) theoretical model of electromagnetic radiation and propagation in a half space; (2) numerical methods for target scattering in a half space; (3) uniform modeling approach for target and rough half space; (4) combination method of the random, time-varying environment model and the deterministic target model, and its applicability and adaptation; (5) Efficient approximate model and hybrid method for composite scattering of complex ground or sea environment and electrically large target. Based on the above innovative study, we focus on the common problem of composite scattering, propose efficient numerical methods, improve the adaptation of numerical models and the efficiency of numerical solutions, and finally expand the value of engineering application.

目标电磁散射特性的理论预估和数值模拟具有重要的理论研究价值和紧迫的工程需求。除空、天飞行目标外，绝大多数目标总是处于复杂的地、海环境。因此，复杂环境与目标的复合散射分析便成为难以回避的基础研究课题。但地面和海面的随机、时变特性，对复合散射的建模带来极大困难。本项目拟最大限度提取复杂地、海环境中的确定性因素，建立半空间背景介质的确定性模型，在此基础上研究目标与环境复合散射的新方法。主要内容包括：(1)半空间电磁辐射与传播的理论模型研究；(2)半空间目标散射的数值方法研究；(3)粗糙面半空间与目标的一体化建模方法研究；(4)环境随机、时变模型与目标确定性模型的融合方法及其规律性与适应性研究；(5)复杂地、海环境与电大目标复合散射的高效近似模型和混合方法研究。通过上述创新性研究，聚焦复合散射的共性问题，提出复合散射的高效求解方法，提升数值模型的普适性和数值求解的效率，扩展其工程应用价值。

目标与环境的复合电磁散射建模在遥感、探测、目标识别与隐身设计等诸多领域具有极强的科学研究意义和工程应用需求。除了空、天飞行目标外，大量目标都处于复杂的地海环境。针对地海环境超大尺度、随机时变特性及目标跨界面、多尺度特性带来的复合散射建模难题，本项目通过建立半空间背景介质模型，提取出地海环境的普遍共性因素，并在此基础上开展目标与环境复合散射的新方法研究。项目首先基于点源辐射场，研究了半空间电磁辐射与传播的理论模型，探讨了不同物理波型对应的数学表达形式，及相应格林函数的计算方法；其次，针对半空间电大目标散射建模，研究了跨界面目标以及多尺度目标的高效求解方法；第三，结合半空间模型，在分界面处引入粗糙面研究了粗糙面半空间与目标的一体化建模方法；第四，利用机器学习训练随机、时变粗糙面背景的数值格林函数，对确定性目标与随机环境的复合散射建模进行了有益的尝试；第五，通过建立自由空间等效模型，研究了复杂地海环境与电大目标复合散射的高效近似方法；最后，针对病态数值系统迭代方法难以收敛的问题，基于分层介质背景对复合散射的快速直接求解方法进行了初步的探索。本项目聚焦目标与环境复合散射建模难题，为地海环境中目标电磁特性分析研究提供了若干新的思路与方法，拓展了数值方法的求解范围和能力，为相关工程应用奠定了理论基础。