植被在整個(gè)地球系統(tǒng)中扮演著重要的角色,對(duì)全球的碳循環(huán)、水循環(huán)和氣候變化有重要的影響。有限長(zhǎng)圓柱體的電磁散射在植被微波遙感領(lǐng)域有重要的應(yīng)用。在微波低頻段(如L和S波段),植被主干和枝干的散射貢獻(xiàn)往往占主導(dǎo)地位。在植被生長(zhǎng)期的早期,其主干和枝干在其它頻段下亦占主導(dǎo)地位。這兩者常用有限長(zhǎng)圓柱體建模。但迄今為止,仍未能得到圓柱體電磁散射截面的統(tǒng)一解析解,更遑論散射振幅相位的準(zhǔn)確求解,或者對(duì)能量守恒和互異性定理的考量。T矩陣是計(jì)算體散射的有力工具,但在處理大長(zhǎng)徑比圓柱體時(shí),會(huì)面臨收斂問(wèn)題。鑒于此種弊端,本文研究基于T矩陣的虛擬分割方法(VPM)并將其擴(kuò)展到非均勻圓柱體和錐形柱體。非均勻是指沿圓柱體主軸各段介電常數(shù)可能相異,文獻(xiàn)中尚無(wú)解析方法處理該種情形。錐形柱體可以表征植被主干上細(xì)下粗的結(jié)構(gòu)。數(shù)值仿真驗(yàn)證了 VPM的有效性,包括:1)對(duì)任意雙站散射,提供高精度的同極化和交叉極化散射截面;2)提供高精度的散射振幅相位;3)符合能量守恒;4)滿足互易性定理。VPM的優(yōu)異性能表明其在植被相干散射模型中的應(yīng)用潛力巨大,可以更好地理解PolInSAR圖像,更好地表征植被散射機(jī)制。植被枝干的取向通常是任意的,對(duì)不同的圓柱體取向和入射波極化方向,VPM要重新計(jì)算,這遠(yuǎn)非理想。本文開(kāi)發(fā)了基于VPM的T矩陣(VPM-Tmat)方法。VPM-Tmat與VPM都具有很高的精度,但考慮空間取向并做取向平均時(shí),VPM-Tmat的效率較VPM提高2個(gè)數(shù)量級(jí)以上。無(wú)論是表征電磁波在植被中的傳播行為,或是為極化分解做準(zhǔn)備,VPM-Tmat都可以提供準(zhǔn)確而高效的技術(shù)支撐。在VPM-Tmat計(jì)算植被組件技術(shù)的支持下,本文對(duì)玉米冠層建立高精度的相干散射模型,仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合較好。當(dāng)植被的主干、枝干處于相互的近區(qū),需要充分考慮圓柱體間的電磁交互作用。本文將VPM推廣到多個(gè)圓柱體的電磁散射,該模型考慮了圓柱體間的全部耦合效應(yīng),亦即多重散射效應(yīng)階數(shù)在理論上等價(jià)于無(wú)窮級(jí)。數(shù)值仿真驗(yàn)證了 VPM計(jì)算多圓柱體的精度。此外,仿真結(jié)果表明即使圓柱體間的距離大于1個(gè)波長(zhǎng),其耦合效應(yīng)有時(shí)候也不可忽略。Freeman和Durden開(kāi)發(fā)的三分量極化分解理論可表征植被的極化散射機(jī)理。本文引入一種更嚴(yán)格的方法來(lái)表征其中的體散射分量。改進(jìn)體現(xiàn)在兩個(gè)方面:1)考慮局部入射角的影響;2)高精度的計(jì)算圓柱體散射振幅。相關(guān)改進(jìn)有助于極化協(xié)方差矩陣分解模型的發(fā)展,有助于發(fā)展極化SAR在植被生物物理信息提取中的應(yīng)用。本文還研究協(xié)方差矩陣對(duì)圓柱體尺寸、介電常數(shù)、取向的敏感性,為反演算法做準(zhǔn)備。
【學(xué)位單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：Q948.1;O441
【文章目錄】：
致謝
摘要
Abstract
英文縮略表
1 緒論
    1.1 研究背景和意義
    1.2 研究現(xiàn)狀
        1.2.1 單個(gè)有限長(zhǎng)圓柱體散射研究
        1.2.2 多個(gè)有限長(zhǎng)圓柱體散射研究
    1.3 論文主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)和內(nèi)容安排
2 ICA特性研究
    2.1 引言
    2.2 單個(gè)粒子的電磁散射
    2.3 ICA方法
    2.4 ICA數(shù)值結(jié)果
        2.4.1 ICA精度
        2.4.2 能量守恒
        2.4.3 互異性定理
        2.4.4 ICA性能的定量研究
    2.5 本章小結(jié)
3 虛擬分割技術(shù)
    3.1 引言
    3.2 T矩陣
        3.2.1 T矩陣的定義
        3.2.2 T矩陣的基本特征
        3.2.3 擴(kuò)展邊界條件法
    3.3 平移加法定理
    3.4 VPM
    3.5 VPM數(shù)值結(jié)果
        3.5.1 圓柱體仿真結(jié)果
        3.5.2 錐形柱體仿真結(jié)果
    3.6 VPM-Tmat方法
    3.7 VPM-Tma數(shù)值結(jié)果
        3.7.1 VPM-Tmat精度
        3.7.2 能量守恒
        3.7.3 互異性定理
        3.7.4 任意取向圓柱體情形
        3.7.5 VPM-Tmat有效范圍
    3.8 玉米冠層的電磁散射
        3.8.1 植被散射模型
        3.8.2 結(jié)果分析
    3.9 本章小結(jié)
4 多個(gè)有限長(zhǎng)圓柱體的電磁散射
    4.1 引言
    4.2 多個(gè)平行圓柱體的VPM
    4.3 數(shù)值結(jié)果
        4.3.1 精度分析
        4.3.2 能量守恒
        4.3.3 互異性定理
        4.3.4 多體散射效應(yīng)分析
        4.3.5 多體散射效應(yīng)的三維圖
        4.3.6 有效傳播常數(shù)
    4.4 本章小結(jié)
5 基于物理模型的植被極化體散射研究
    5.1 引言
    5.2 體散射模型改進(jìn)
        5.2.1 局部入射角和旋轉(zhuǎn)角
        5.2.2 考慮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 數(shù)值結(jié)果
        5.3.1 圓柱體長(zhǎng)度對(duì)協(xié)方差矩陣的影響
        5.3.2 圓柱體直徑對(duì)協(xié)方差矩陣的影響
        5.3.3 圓柱體介電常數(shù)對(duì)協(xié)方差矩陣的影響
        5.3.4 朝向隨機(jī)因子n對(duì)協(xié)方差矩陣的影響
0對(duì)協(xié)方差矩陣的影響'>        5.3.5 朝向中心β₀對(duì)協(xié)方差矩陣的影響
    5.4 本章小結(jié)
6 總結(jié)和展望
    6.1 本文內(nèi)容總結(jié)
    6.2 未來(lái)工作的設(shè)想和展望
參考文獻(xiàn)
作者簡(jiǎn)歷

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