多层粗糙面中埋地目标一维距离像仿真和成像机理研究

Modeling and Imaging of an object buried in layered rough surfaces finds a wide variety of applications ranging from remote sensing and group penetrating radar. Comparing to the frequently assumed planar layered media, rough surface is a more rigorous simulation to the real-life scenario, and has a significant effect on the electromagnetic scattering characteristics. However, the wideband imaging scattering data need to be derived by using Monte Carlo experiment method, which poses a great challenge on computational efficiency. The proposed project plans to investigate a CBFM-UV-SPA hybrid approach to efficiently generate the range profile, and then interpret the range profile by using the equivalent source decomposition and ray path phase prediction method. With the effort of this project, it will not only provide an efficient fast solver for object buried in layered rough Medias, but also will define and reveal the imaging mechanism of the buried object. Thereby a systematic approach for buried target detection will be established ultimately.

研究分层媒质环境中目标的距离像对雷达目标识别和新体制雷达研制都具有重要意义。相比于当前所常用的平面分层模型，分层粗糙面是对实际分层媒质更加准确的模拟，并对电磁散射具有十分显著的影响。但是，目标成像数据需通过蒙特卡洛（Monte Carlo）方法统计获取，而且粗糙面通常为电大尺寸，计算过程十分耗时。本课题拟基于特征基函数方法（CBFM），结合UV分解方法，降维矩阵谱域生成技术（SPA），更加快速的获取分层粗糙面中埋地目标的散射场数据，建立具有实际工程应用能力的正演模型，高效的提供成像数据。在此基础之上，选取典型埋地目标，运用等效电流分解和射线路径相位估计方法，分析其距离像特性与其散射中心的对应关系，明确距离像各峰值变化原因，为目标探测提供系统的分析方法和技术支持。

面向分层媒质中埋地目标电磁散射问题的研究有着广泛的实际工程应用背景，例如地球物理勘测和穿墙雷达探测。本项目基于特征基函数方法（CBFM），针对埋地目标快速精确建模方法和典型目标距离像解译展开研究，首先提出了一种定义在四角面片上的新型分段线性基函数，并解析推导了矩阵元素的解析表达式，加速了阻抗矩阵的计算。之后，为模拟点源近场激励，基于Weyl定理，提出了新型全域辅助源方法生成特征基函数（CBF），计入了消逝模的影响，改进了CBF的精度，拓展了CBFM的适用范围。CBFM为频域算法，在计算宽带散射场数据时，需要在频带内多点重复计算，十分耗时。项目提出使用矢量拟合方法，构建了宽带散射场宏模型，仅采用频带内少量频点处的散射场数据作为输入，即可高效获得整个频段内的散射场数据，建立了具有实际工程应用能力的埋地目标电磁散射特性正演模型。在此基础之上，进一步研究了典型埋地目标的一维距离像。结合射线理论，采用定量与定性的综合分析手段，揭示了埋地目标距离像的形成机理，明确了距离像各峰值的来源，分析了耦合成像机理，研究成果对推动基于雷达图像的目标识别技术有一定贡献。