基于虚拟分割的植被组件电磁散射研究

论文摘要

植被在整个地球系统中扮演着重要的角色,对全球的碳循环、水循环和气候变化有重要的影响。有限长圆柱体的电磁散射在植被微波遥感领域有重要的应用。在微波低频段（如L和S波段）,植被主干和枝干的散射贡献往往占主导地位。在植被生长期的早期,其主干和枝干在其它频段下亦占主导地位。这两者常用有限长圆柱体建模。但迄今为止,仍未能得到圆柱体电磁散射截面的统一解析解,更遑论散射振幅相位的准确求解,或者对能量守恒和互异性定理的考量。T矩阵是计算体散射的有力工具,但在处理大长径比圆柱体时,会面临收敛问题。鉴于此种弊端,本文研究基于T矩阵的虚拟分割方法（VPM）并将其扩展到非均匀圆柱体和锥形柱体。非均匀是指沿圆柱体主轴各段介电常数可能相异,文献中尚无解析方法处理该种情形。锥形柱体可以表征植被主干上细下粗的结构。数值仿真验证了 VPM的有效性,包括:1)对任意双站散射,提供高精度的同极化和交叉极化散射截面;2)提供高精度的散射振幅相位;3)符合能量守恒;4)满足互易性定理。VPM的优异性能表明其在植被相干散射模型中的应用潜力巨大,可以更好地理解PolInSAR图像,更好地表征植被散射机制。植被枝干的取向通常是任意的,对不同的圆柱体取向和入射波极化方向,VPM要重新计算,这远非理想。本文开发了基于VPM的T矩阵（VPM-Tmat）方法。VPM-Tmat与VPM都具有很高的精度,但考虑空间取向并做取向平均时,VPM-Tmat的效率较VPM提高2个数量级以上。无论是表征电磁波在植被中的传播行为,或是为极化分解做准备,VPM-Tmat都可以提供准确而高效的技术支撑。在VPM-Tmat计算植被组件技术的支持下,本文对玉米冠层建立高精度的相干散射模型,仿真结果与实测数据吻合较好。当植被的主干、枝干处于相互的近区,需要充分考虑圆柱体间的电磁交互作用。本文将VPM推广到多个圆柱体的电磁散射,该模型考虑了圆柱体间的全部耦合效应,亦即多重散射效应阶数在理论上等价于无穷级。数值仿真验证了 VPM计算多圆柱体的精度。此外,仿真结果表明即使圆柱体间的距离大于1个波长,其耦合效应有时候也不可忽略。Freeman和Durden开发的三分量极化分解理论可表征植被的极化散射机理。本文引入一种更严格的方法来表征其中的体散射分量。改进体现在两个方面:1)考虑局部入射角的影响;2)高精度的计算圆柱体散射振幅。相关改进有助于极化协方差矩阵分解模型的发展,有助于发展极化SAR在植被生物物理信息提取中的应用。本文还研究协方差矩阵对圆柱体尺寸、介电常数、取向的敏感性,为反演算法做准备。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 英文缩略表
• 1 绪论
•   1.1 研究背景和意义
•   1.2 研究现状
•     1.2.1 单个有限长圆柱体散射研究
•     1.2.2 多个有限长圆柱体散射研究
•   1.3 论文主要创新点和内容安排
• 2 ICA特性研究
•   2.1 引言
•   2.2 单个粒子的电磁散射
•   2.3 ICA方法
•   2.4 ICA数值结果
•     2.4.1 ICA精度
•     2.4.2 能量守恒
•     2.4.3 互异性定理
•     2.4.4 ICA性能的定量研究
•   2.5 本章小结
• 3 虚拟分割技术
•   3.1 引言
•   3.2 T矩阵
•     3.2.1 T矩阵的定义
•     3.2.2 T矩阵的基本特征
•     3.2.3 扩展边界条件法
•   3.3 平移加法定理
•   3.4 VPM
•   3.5 VPM数值结果
•     3.5.1 圆柱体仿真结果
•     3.5.2 锥形柱体仿真结果
•   3.6 VPM-Tmat方法
•   3.7 VPM-Tma数值结果
•     3.7.1 VPM-Tmat精度
•     3.7.2 能量守恒
•     3.7.3 互异性定理
•     3.7.4 任意取向圆柱体情形
•     3.7.5 VPM-Tmat有效范围
•   3.8 玉米冠层的电磁散射
•     3.8.1 植被散射模型
•     3.8.2 结果分析
•   3.9 本章小结
• 4 多个有限长圆柱体的电磁散射
•   4.1 引言
•   4.2 多个平行圆柱体的VPM
•   4.3 数值结果
•     4.3.1 精度分析
•     4.3.2 能量守恒
•     4.3.3 互异性定理
•     4.3.4 多体散射效应分析
•     4.3.5 多体散射效应的三维图
•     4.3.6 有效传播常数
•   4.4 本章小结
• 5 基于物理模型的植被极化体散射研究
•   5.1 引言
•   5.2 体散射模型改进
•     5.2.1 局部入射角和旋转角
•     5.2.2 考虑局部入射角的重要性
•     5.2.3 采用可靠散射模型的重要性
•   5.3 数值结果
•     5.3.1 圆柱体长度对协方差矩阵的影响
•     5.3.2 圆柱体直径对协方差矩阵的影响
•     5.3.3 圆柱体介电常数对协方差矩阵的影响
•     5.3.4 朝向随机因子n对协方差矩阵的影响
• 0对协方差矩阵的影响'>    5.3.5 朝向中心β₀对协方差矩阵的影响
•   5.4 本章小结
• 6 总结和展望
•   6.1 本文内容总结
•   6.2 未来工作的设想和展望
• 参考文献
• 作者简历

文章来源

类型: 博士论文

作者: 杨超

导师: 杜阳

关键词: 电磁散射,植被组件,圆柱体,虚拟分割方法,矩阵

来源: 浙江大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学,生物学

单位: 浙江大学

分类号: Q948.1;O441

DOI: 10.27461/d.cnki.gzjdx.2019.000039

总页数: 145

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