三維復雜動態(tài)海面電磁散射特性建模及分析方法研究結題摘要

在海洋電磁遙感技術中，海面電磁散射機理的研究一直是海表參數(shù)反演與海面目標檢測等應用中的關鍵。在復雜海況條件下，海面的不確定性、海面電磁散射的多徑效應和遮擋效應造成的散射機理的復雜性，使一些簡單的分析模型已經(jīng)不能解釋該條件下的電磁散射機理。針對這些海面電磁散射的前沿問題，本項目從以下幾個方面開展了研究： 一）從三維動態(tài)海面的幾何建模著手，建立了重力海浪譜、風驅海浪譜、破波以及艦船行進過程中尾跡波紋等不同海況的海面模型，為海面電磁散射的計算和分析奠定了基礎。二）開展了對復雜動態(tài)海面的電磁散射計算的高效方法研究，研發(fā)了適于大型復雜動態(tài)海面電磁散射計算仿真平臺，包括基于多層快速多極子算法和混合高頻近似算法，以及用于計算海面和目標復合電磁散射的高低頻混合算法。特別在大型海面電磁散射問題中將高階疊層矢量基函數(shù)應用于多層快速多極子算法中，進一步提高了算法的效率。針對高頻近似方法的局限性，本項目中通過添加虛擬發(fā)散因子的方法提高了高頻算法在海面散射中的計算精度，并將KD-tree結構用于射線追蹤法中對算法進行加速，使之能夠適用于大型海面電磁散射的快速計算。三）依托本項目研發(fā)的海面電磁散射計算平臺，開展了對包括風驅海面、典型破浪海面在不同極化和不同入射角的時域及頻域的電磁散射特性分析研究。采用準靜態(tài)方法仿真得到了海面回波序列，研究了風驅海面的多普勒頻譜特性，并從統(tǒng)計意義上研究了海雜波的分布特性以及混沌特性。四）通過高低頻混合算法對海面上目標的電磁散射回波進行仿真研究，實現(xiàn)了對海雜波背景下目標的合成孔徑成像研究，分析了海雜波對目標成像質(zhì)量的影響。最后，本項目還通過對真實雷達采集的X波段海雜波數(shù)據(jù)分析，研究了海面信息的反演問題。 通過本項目的實施，建立了一套從海面幾何建模到以計算電磁學為核心的海雜波計算仿真，最后到海雜波分析的完整動態(tài)海面電磁散射仿真與分析體系。項目的研究成果為海洋電磁遙感應用提供了理論參考和技術基礎。 2100433B

在海洋電磁遙感技術中，海面電磁散射機理的研究一直是海表參數(shù)反演與海面目標檢測等應用中的關鍵，并已成為國內(nèi)外電磁場和雷達研究領域中的一個重要方向。在復雜海況條件下，海面的不確定性、海面電磁散射的多徑效應和遮擋效應造成的散射機理的復雜性，使一些簡單的分析模型已經(jīng)不能解釋該條件下的電磁散射機理。為此，本項目針對海面電磁散射的前沿問題，重點研究適于大入射角情況下包括重力海浪譜、風驅海浪譜、破波以及艦船行進過程中尾跡波紋等復雜動態(tài)海面的電磁散射計算的高效方法，研發(fā)適于大型復雜動態(tài)海面電磁散射計算的平臺，分析典型破浪海面在不同極化和不同入射角的時域及頻域的電磁散射特性，并通過實驗研究和計算仿真相比對的方法，驗證計算方法的可行性。本項目的研究成果可以應用于海面電磁散射的仿真計算、海表信息的定量反演及海面艦船目標的探測等，同時為我國海洋電磁遙感應用提供理論和技術基礎。

若要將三維地質(zhì)建模技術直接應用到油藏開發(fā)生產(chǎn)，必須也能夠與油藏地質(zhì)研究相結合。

下面是一個華北油田的例子。我認為是一個將三維地質(zhì)建模直接應用于生產(chǎn)研究的很好的例子。

由于渤海灣盆地沉積、構造的復雜性，在許多區(qū)塊地層對比是一個很大的難題，尤其是斷點的對比，出現(xiàn)50m左右的誤差是很平常的事。但斷點對比的不準確，會直接影響到斷層兩側油藏關系的認識，并進而影響到生產(chǎn)措施的實施。在利用最初的地層對比方案建立斷層模型的時候發(fā)現(xiàn)，兩條主要斷層的斷點是分散在斷層模型兩側的，顯然這是由于地層對比的誤差所導致的。對于常規(guī)建模工作來說，我們完全可以不必考慮所有的斷點，只要根據(jù)多數(shù)斷點建立起一個平均的斷面就可以。如果出現(xiàn)不準確的問題，哪是地層對比人員的事，不是我們的責任。但油田采油廠的人從生產(chǎn)要求的角度出發(fā)，采用了斷層建模與地層對比相交互的方法。即通過Petrel的斷層模型找出與斷層面不吻合的斷點，然后對斷點進行重新對比。經(jīng)過多次的反復，最終將所有的斷點都收斂到了一個斷面上。其結果不僅使斷層模型更為準確，也幫助解決了地層對比工作中長期存在疑問。從而使建模技術很快的被油田一線生產(chǎn)人員所接受和喜愛。

復雜目標的電磁散射問題以及復雜環(huán)境下的電磁兼容問題一直是國防工業(yè)和民用技術中迫切需要解決的關鍵問題。隨著近年來材料技術的快速發(fā)展，各種新的人工合成材料的不斷涌現(xiàn)，使如何分析這些新材料的電磁特性并將其成功應用到國防及民用工業(yè)中也成為了亟待解決的問題。在這些新材料當中，快速精確地分析雙各項同/異性材料、單/雙負介質(zhì)材料等是電磁學領域中最具挑戰(zhàn)的課題之一。同時研究各種新的復雜電磁結構，例如光子晶體結構、頻率選擇表面結構等也成為電磁學領域中迫切需要解決的難題之一。因此，本項目以求解上述復雜電磁問題為立項依據(jù)，深入研究快速有效的電磁計算方法，以解決當前計算方法在分析復雜電磁問題中的薄弱環(huán)節(jié)。主要的研究內(nèi)容包括：1）研究與積分核無關的算法及其相應的關鍵技術，2）研究快速收斂的迭代算法和預條件算法，3）研究金屬與復雜媒質(zhì)混合的全波求解算法，4）研究與積分核無關的快速算法的并行化。