粗糙物体高斯波束散射及在激光一维距离成像中的应用

粗糙物体高斯波束散射特性研究在国防军事及民用领域具有显著的学术价值和广泛的应用背景。本文较系统研究了高斯波束入射粗糙面及粗糙物体时的频域和时域散射特性，讨论了激光一维距离成像仿真中的若干问题，其主要工作和成果如下： 1．从粗糙面散射基尔霍夫标量近似理论出发，结合波束角谱展开法，推导出二维随机粗糙介质面高斯波束相干散射截面计算公式，并从理论上证明当束腰半径趋于无穷时波束散射结果可退化到平面波情况。数值分析了波束参数、粗糙面介电性质和极化特性对散射系数的影响。 2．采用平面波谱展开法和物理光学近似，从理论上推导出傍轴高斯波束对任意形状电大尺寸粗糙物体的相干与非相干雷达散射截面理论计算公式。计算并分析典型物体的波束散射特性，考察了波束参数、粗糙度及介质电参数对激光雷达散射截面的影响。 3．研究了脉冲平面波和脉冲波束对二维随机粗糙介质表面的散射特性。基于脉冲波时域散射基本理论及粗糙面散射基尔霍夫近似，获得双频互相干函数及窄脉冲入射下的散射回波功率，分析表明粗糙面均方根高度是影响脉冲平面波散射的主要因素；将高斯波束粗糙面散射的频域结果推广到时域，获得了与平面波入射时相似的结果，并分析了束腰半径变化对计算结果的影响。 4．根据Ishimaru脉冲波散射理论及波束粗糙物体频域散射结果，推导出窄脉冲近似下的双频互相干函数和脉冲响应解析表达式，其相干分量可以直接表示成频域函数与频差函数或时域传输函数的乘积，并分析了束腰半径对双频互相干函数和脉冲响应的影响。在假设物体运动速度远小于光速，且脉冲分辨单元小于物体尺寸的前提下，得到运动物体的脉冲散射回波公式，该式表明窄脉冲照射下运动物体回波在时间轴上会产生平移，并伴随脉冲展宽与压缩效应。 5．研究了粗糙物体波束散射在激光一维距离成像仿真中的应用。根据脉冲波散射理论及任意形状电大尺寸粗糙目标高斯波束散射解，得到目标激光后向散射回波功率即一维距离像计算表达式。在窄脉冲入射条件下，考虑工程实际应用，获得相应的脉冲激光雷达方程。数值仿真计算了朗伯板、球、圆锥和坦克径向一维距离像，分析了脉冲宽度、波束参数及目标几何形状等因素对激光目标散射成像的影响。