1、Characterization of Radar Backscatter翻译 本科毕业设计(论文)外文资料翻译外文资料题目 Characterization of Radar Backscatter Response of Sand-Covered Surfaces at Millimeter-Wave Frequencies 摘 要由于干沙的介电常数低和沙表面比较粗糙，沙漠的雷达成像会遭受不足的雷达回波低频微波信号。然而，操作在毫米波段频率，用以矫正这一缺陷的重要雷达回波产生的表面和体积散射。由于这样的事实,即砂表面粗糙度大，信号穿透到干砂,这是一个空气和砂颗粒尺寸与波长的一小部分的均匀混
2、合物,产生相当大的体积散射。本文探讨在干砂表面的面积和体积的散射，以奇特的砂表面的物理性能，发现在沙地沙丘覆盖的地区。提出了一种非相干模型,描述了角依赖体积散射从干砂在存在一维起涟漪的空气/砂表面。一组室内实验进行平滑和一维起涟漪的砂表面在ka波段证实,大量散射是毫米波频率,该模型正确地捕捉观察角关系当一维表面波纹出现。关键词：毫米波（MMW）测量 雷达 体积散射目 录一、引言 1二、干砂的物理性质的表征 5三、干沙丘表面的造型雷达后向散射响应 9四、实验表征 17五、结论 23附 录 25参考文献 29一、引言世界各地的石油和天然气领域的探索，包括地区的特点是干旱或沙漠地区地震试验中经常使用
3、的。在这些地区，干沙层往往覆盖底层的基岩，并且其厚度变化从一个区域到下一个区域。在沙层厚度的基石是低的沙区的地震试验通常是成功的。如果砂层高于基岩的厚度是先验已知的，那么这些测试的成本可以显著降低。双频干涉合成孔径雷达（SAR）测量（InSAR）已被提议作为一种映射沙层以上的基岩大面积的沙漠和干旱地区的厚度的手段。双频干涉合成孔径雷达的提议包含两个系统：高频和低频InSAR系统，两者都安装在一个平台上。高频InSAR技术被用于确定空气/砂界面的高度，而低频InSAR技术被用于确定的砂/基岩界面的高度。沙层的厚度是在两个高度之间的差。使用高频InSAR技术（工作在Ku波段或更高）的前提是返回的雷
4、达后向散射源自空气/砂接口或稍下方的。高消光率，由于沙粒在这些频率的吸收和散射，限制了高频信号以几厘米的砂土层的穿透深度。在另一方面，一个低频InSAR技术（工作在非常高的频率（VHF）频带或较低的频率）将看到从空气/砂面（其特征在于作为“电平滑”）和沙粒最小散射（小砂粒的大小信号波长相比）。此外，低的传播损耗穿透沙层和散射背面从砂/基岩界面允许低频信号。两个干涉合成孔径雷达系统是在VV极化模式（即发送和接收垂直极化）操作，因为v-偏振信号比用于入射角远离最低点的H偏振信号的空气/砂界面的透射率较高。差分GPS，陀螺仪，宽带信号处理硬件，数据存储以及在微波和毫米波（MMW）频率的射频硬件操作的
5、最新进展使得高分辨率干涉合成孔径雷达成像在高频率成功演示，如X-波段，Ku波段和Ka波段。基本上，这些频带中的任何频段都可用于InSAR技术成像。但是，具体的砂覆盖表面的性质是微波频带中的任意一个工作频率并不一定导致成功成像的砂面。不像其他的随机介质，如草覆盖面，冰雪覆盖的表面，或林冠干砂表面，由于低介电常数干砂和平滑的空气/沙接口使雷达回波是非常低的。对于具有低的后向散射系数o的目标，雷达的发送功率必须增加，以实现所需的最低要求在接收机处的信号噪声比。事实上，观察到15的空隙在得到所产生的C-频带航天飞机雷达地形特派团的干燥的沙漠中差分干涉图像中，这可以归因于在C波段的砂面低o。确保重要的雷
6、达检测反应从干砂（即使其最高空气/砂界面光滑的）不同的源的散射，即来自表面之下砂颗粒的体积散射可以被利用。体散射的强度部分是由于砂颗粒的大小相对于信号的波长。据预期，一个显著的体积散射分量是在毫米波频率，作为本沙粒的大小成为一个显著的工作波长的几分之一。不幸的是，在沙漠条件下的干砂覆盖面的雷达散射的现象没有得到充分的调查之前，特别是在高频率（X-波段及以后），很少或根本没有在公开文献中测得的数据。本文的目的是检查影响干砂在毫米波频率的雷达回波信号的响应的散射机制，特别是在Ka频段，由于其技术的成熟性已经被证明为干涉合成孔径雷达操作。本文作者最近进行了一个双频段（VHF-和Ka波段）的设计分析机
7、载干涉合成孔径雷达系统。它确定了以确保广域覆盖范围在两个频率，推荐的Ka波段的SAR系统参数如下：1） 中心频率为35千兆赫;2） 最小带宽为300 MHz;3） 线性调频发出脉冲调制持续20-s的时间;4） 4 kHz的脉冲重复率;5） 1500 W的峰值功率;6） 接收机系统温度1500 K;7） 整个系统的损耗系数为5 dB;8） 最低30度的入射角;9） 天线仰角波束宽度为30度;10） 0.50.5米的沿跨范围。使用这些参数，在飞机速度为260公里/小时，在海拔7400米以上的地面操作，提供了图像扫描宽度为8.5公里，是能够测量的后向散射系数o，在低至-30 dB的砂表面的SAR图像
8、（即max= 60）与远端一个10-dB的信噪比。从干砂体积散射的贡献是高于最小可检测o= -30分贝消除干涉合成孔径雷达图像中的可能性的空隙，不论砂的表面条件。在本文中，我们研究的意义从沙子的表面和体散射，根据实际物理性能的沙丘覆盖面。在第二节中，根据实地考察和来自不同地区的阿拉伯半岛的样品收集，干砂的物理性能被发现。第三节中描述的适用于砂介质的表面和体积的散射理论模型。在第四部分，用来描述在Ka频段的干砂的体积后向散射响应的实验装置和测量程序。最后，所测得的数据与模型预测进行比较。图1 （a）沙特阿拉伯crescentric沙丘照片 （b）展示波纹沙面的特写图片二、干砂的物理性质的表征沙漠
9、覆盖在大片的地球上，例如在撒哈拉沙漠和阿拉伯半岛的沙漠的沙丘领域。沙丘存在大量的沙粒。他们可以垂直地延伸数万米，在撒哈拉的一些地方，单个沙丘可能沿水平方向延伸2025公里的大面积。风的速度和方向影响沙丘的形状，常见的形状是月牙形（在地球上最常见的），直线（例如，撒哈拉），圆顶（例如，空季度，SA）。在最近的一次访问不同地区的沙特阿拉伯，随着粗糙度分布，从沙丘，沙层表面收集样本，从三个不同的网站，覆盖了该国中部和东部地区。图1中所示的是在沙特阿拉伯东部省的一个典型的月牙形沙丘顶部的空气/沙面的照片。A. 粒度分布和介电常数近地表沙的样本收集是在沙特阿拉伯的三个不同的地点：1）东部省份;2）Thu
10、mamah沙漠中部地区（东北部的首都利雅得）;3）Kharrarah区中部（利雅得以西）。一般情况下，沙粒球形粒径分别约为0.05至1毫米之间变化的砂岩颗粒。一堆十筛子和开口介于0.71和0.075毫米用于创建粒子粒径分布不同的沙样品。图2显示的是Thumamah沙漠（中部地区）沙丘中沙粒的一个典型的粒度分布。平均粒径也被发现在中部地区的0.20毫米和东部地区的0.25毫米之间变化，体积分数为0.6和0.65之间。图2 SA中部地区的Thumamah沙漠的粒度分布圆筒形空腔谐振器也可用于测量L波段的不同的干砂样品的相对介电常数和介电常数r。Alkharrarah，Thumamah和东部地区的5
11、个样品的平均有效介电常数r分别为（2.71+ i0.017），（2.71+ i0.023），和（2.74+ i0.024）。测得的介电常数的实部与在公开文献中报告的数据是一致的。正如预期的那样，介电常数的虚部具有小的值，该值允许在低频率的信号通过沙层传播有小的损耗。这些损失主要是由于砂颗粒本身的吸收以及与可能对本沙粒产生污染的其他污染物。在高频率（例如，毫米波频率）中，介质内部由于沙粒的散射会发生额外的传播损耗。这一问题将在第二部分介绍。B. 强沙面的粗糙度在塑造沙丘中风起着重要的作用。它也负责固定沙丘。一个强大的盛行风能够剥离层顶部的沙丘,一次一层,这些剥落的砂颗粒沉积在其他地方。砂颗粒移动
12、的三种方法: 对于大颗粒大于500微米的表层塌滑(蠕变), 中型粒子的601000微米的跳跃(跳),微小颗粒的1 70微米的悬浮。这三种类型的粒子运动也有助于塑造顶部的空气/沙接口。特别是，爬行和跳跃运动都是用于形成波纹表面，如图1所示。根据风况和沙面的曝光，其上方的空气/沙接口可以有褶皱或光滑。由于风的强度削弱，下降沿砂颗粒倾向于确保生成一个非常光滑的砂面。在SA每个访问过的网站收集一些表面高度资料。这个概要文件由细按比例缩小的方格纸生成高分辨率的数码照片的砂面。应该指出的是，出现大片沙丘表面相当光滑，只有表面轮廓的波纹表面。Thumamah沙漠（中央的SA的国家或地区）的一个典型的表面高度
13、分布如图3所示，以及与一个完美的周期性的表面具有相同的振幅和周期。需要注意的是，该表面上实际的表面平均振幅和周期大约分别为0.006和0.18 m。这些值是符合风起涟漪的表面全球报道的振幅在0.005和0.01米之间，周期在0.05和0.2米之间。图3 沙丘表面从Thumamah沙漠和完美的周期性表面与上年同期实际的样品的表面高度分布之间的比较表 砂表面粗糙度不同的点的参数的平均值两个数量特征表面粗糙度，标准差高度s和相关长度l，均来自被测表面高度轮廓。Sa和la（下标a表示这些量计算“实际的”表面的高度）为不同的测试位点的平均值列于表。粗糙度的数据表明在给定时间/季节不同站点之间观察到有大的
14、变化。众所周知，当表面“电粗糙”，即一个表面的均方根高度sa达到一个显着的部分的工作波长时，表面会产生显着的后向散射返回。粗糙度参数Ksa（其中k=2/，为波长）历来用于推断在给定频率的表面粗糙度。人们已经注意到，在微波和毫米波频率，从粗糙介质表面的后向散射系数增加作为堪萨斯州增加，饱和堪萨斯州超过3。此外，光滑的表面被认为是KS0.5时，略显粗糙是当0.5 KS 1时。在表I中，Ksa和Kla的平均值，对于不同的站点，指的是在两个雷达频率：10千兆赫（X-波段）和35千兆赫（Ka-波段）。在10 GHz光滑或略显粗糙的波纹沙子表面，这意味着低雷达回波，但这些表面在35 GHz可以是相当粗糙。
15、三、干沙丘表面的造型雷达后向散射响应各向同性的均匀随机介质，诸如干砂的后向散射系数的o，可以主要归因于两个散射过程：1）从空气/砂界面的表面散射，2）的体散射随机介质内的沙粒。表面散射是有效沙介质的介电常数和表面粗糙度的函数，而体积散射是粒子形状，粒径分布，体积分数和粒子的介电常数的函数。如前所述，“电”顶部光滑沙面在大片沙风条件下，可能会导致在一个给定的沙漠。在这种情况下，从砂表面的雷达后向散射响应是微不足道的，即使要使用的干涉合成孔径雷达的雷达工作在很高的微波或毫米波的频率。从下面的空气/砂界面的沙粒量散射可能具有足够的强度，以补偿表面散射的缺乏，尤其是当砂颗粒的大小是一个重要的部分工作波
16、长。波及砂表面的一维的周期性质，可能会导致依赖于雷达看起来相对于表面的行方向的方向（由入射和方位角定义）的主要表面的后向散射响应。由于当地的入射角沿表面发生变化，一维的波纹表面的存在也可以影响体积散射分量的后向散射响应。在本节中，将要讨论一维的表面和体积的散射模型波及砂面。A、 表面散射分量风影响的干砂表面往往有一维周期或波及空气/沙面。古典表面散射模型，如物理光学（PO），几何光学（GO），小扰动，积分方程方法，以及一些半经验模型，主要是发达国家的二维随机表面，而不是一维周期性的表面。另一方面，一维波及砂面不完全是周期性的，从图3中可以清楚地推断出。它可以被看作是由叠加在一个一维周期分量的二
17、维随机分量的复合表面。认识到这一点，本文周期的表面被认为是一个不连贯的表面散射模型的随机扰动。该模型表明合理的成功预测了在微波频率测量的一维刚刚开垦土壤表面的反向散射系数。它假定表面由两部分组成：一个随机波动成分（小规模的粗糙度）上叠加一个完美的周期分量（大规模粗糙度）。假设这两个组件是统计独立的，然后从复合材料的表面上的总的后向散射响应此外，从随机的表面部分，由当地的倾斜角度，由于周期性表面组分调制的后向散射系数是不连贯的。考虑是一维周期的表面上，如图4所示，其高度为Z（x，y）=-h cos(2y/ L)，其中L是表面周期。然后，对于一个给定的偏振组合ij(=v or h)，总的后向散射系
18、数oij可以表示为oij(,)= (1)其中是小规模的计算出的表面粗糙度在当地的入射角的后向散射系数，(y)是该角度的正切表面z(x,y)的斜率tan(y)=sin()图4图描绘了雷达指向一维的波纹表面在一个给定的发生率和方位角的角度,当=0时,该雷达指向平行于波纹表II 不同的考点随机成分砂表面的粗糙度参数的平均值选择适当的表面散射模型（PO，GO等）计算，例如，为小规模的表面部分的粗糙度参数是在选定的表面散射模型的有效性标准。另一个相干模型利用基尔霍夫近似也发生类似预测和生产的不连贯的模型。本节中的非相干模型将被用于预测波及砂表面的后向散射响应。非相干表面散射模型需要周期表面的完美的周期分
19、量的振幅和周期的随机表面部分的粗糙度统计的知识。从上一节中所报道的测量随机表面部分的检索粗糙度统计，这两个表面成分首先需要分离。这可以更好地通过在频谱域滤波来实现。应用快速傅立叶变换（FFT）的测得的表面的高度轮廓，随后过滤/分离的两个组成部分，然后应用快速傅立叶逆变换（IFFT），另外的两个组件，每个组件的高度轮廓可以被检索。表II中列出ss和ls的平均值为随机组件不同在沙特阿拉伯访问点（即小规模粗糙度）随着平均参数kss和kls，在10和35 GHz的计算。注意，下标s这里指的是小规模的粗糙度。正如所料，随机表面的组件，其特征在于作为表面粗糙度小规模，大大降低了ss和ls的值，导致在两个频
20、率中的一个较小的值的连络。图5 模拟波及沙面后向散射系数ovv（Thumamah1个网站在表二中列出）为入射角的函数,用该模型在35GHz的不同的方位角进行了模拟,对于该表面，PO模型被用来模拟小规模的粗糙度成分图6 模拟波纹沙面后向散射系数ovv是方位角的函数,用该模型在35 GHz干燥条件下的不同入射角进行了模拟,对于该表面，PO模型被用来模拟小规模的粗糙度成分非相干的表面散射模型被用来预测预期的后向散射系数ovv粗糙的波纹沙丘表面，即观察上面的Thumamah沙漠表面，其表面的高度轮廓示于图3，sa =4.6毫米，la= 35.5毫米，ss= 0.68毫米，ls=7.63毫米，和一段0.
21、18米。在35 GHz（= 8.7毫米），小规模的表面粗糙度参数满足有效性标准的PO模型，即kls 6，Rc（Rc为曲率半径），m 0.1，以及从每一个粒子的散射场被假定为统计学依赖于附近的其他颗粒。DMRT方程在已知的使用建模稀薄介质的常规辐射传输（CRT）的方程在结构上是相同的。因此，使用离散坐标中详细描述的特征分析方法，它可以数值求解。DMRT已成功应用于体积分数=0.0087m在35 GHz），一个简单的解决方案可以被考虑，由此，体积散射任何给定的点的随机介质内管由当地的入射角在空气/砂界面。在这个解决方案中，体积散射响应，从不同的点沿一维的周期性表面出现被认为是统计独立的，并可以非相
22、干加入。这里提出的数学表达式（1）中，它被用来计算复合材料的表面上的后向散射系数，计算的体积的一维的干沙层的后向散射系数的波纹表面。在应用公式时，()（按小规模的表面散射分量）被所取代，使用CRT光滑砂在本地入射角计算。图8 干砂的体积后向散射系数之间的模拟比较用三个不同的表面,作为方位角的函数绘制（a）=45及（b）=70度,考虑的表面是光滑的表面,弱波纹表面1度（h =0.005 m和L =0.18m）,强波纹表面2度（h =0.01 m和L =0.10m）,在35 GHz使用CRT模型的Thumamah沙漠中进行模拟为了从干砂的表面上展示一维的影响波及体积散射，两个不同周期的表面进行了审
23、议。第一周期的表面（1）是弱的波纹表面的一个例子。它的振幅和周期与报告的Thumamah沙漠表面是相同的，即，h =0.005 m和L =0.18m。第二表面（2）是强烈的波纹表面具有大振幅h =0.01 m和一个短的周期L=0.10m的一个例子。沙漠型Thumamah沙在35 GHz使用CRT模型进行数值模拟。输入到CRT模型包括的粒度分布（图2中所示），沙粒的介电常数（为p=4.0712+ i0.0445），体积分数（设置为0.65）。砂颗粒的介电常数是来自于干砂在L波段中使用的双组分混合配方的测得的有效介电常数。VV激化体积后向散射干沙为以下三个不同的空气/沙接口以方位角的函数绘制在图8
24、中：1）平滑;2）一维周期性表面1，3）一维周期性表面2。虽然节偏振的具有光滑表面的砂磨介质的后向散射系数的方位角是独立的，它被包括在图8为了比较雷达回波的水平距离一维波纹表面具有光滑的表面。据观察，在低入射角例如，入射角度=45，如图8（a）所示，一维波纹表面上的预期的体散射的贡献有很少或没有影响，即使当表面被强烈脉动。然而，在高入射角例如，入射角度=70，如图8（b）所示，一维波纹表面就可以有一个显着的体积后向散射系数的影响。高达1 - 和5 - 分贝的后向散射系数的变化时，观察到的方位角介于0和90分别为弱、强烈波纹表面。该图清楚地表明，从干砂的体积散射高于-30分贝的最小可检测omin
25、为第I节中所述的设想的Ka-波段InSAR系统。请注意，建议Ka波段InSAR系统预计映射沙面的高度入射角在min=30和max=60之间。对于大多数的情况下，在沙面相对平坦，一维的影响波及表面后向散射响应是微不足道的。但是，如果进行了干涉合成孔径雷达测绘沙丘，其中最佳的空气/砂面相差的干涉合成孔径雷达的观察方向可以倾斜，然后在砂表面的本地入射角可能会显着地超过60。在这种情况下，后向散射系数的值的砂可能会变得小于CRT模型预测的假设光滑砂界面。四、实验表征本文的实验部分的目的如下：1）实验确定的水平，在高频率下的干砂体散射的贡献，并与我们的模型进行比较，2）检查的总表面波纹的影响后向散射。室
26、内测量一组进行的上端附近的频带的利益，即使用一个仪表雷达上的沙层，在33和37千兆赫之间。请注意，预期所需的高频InSAR系统为工作在一个更小的带宽（小于500兆赫）。Ka-波段的选择的被引导通过数值模拟的结果表明体散射足够高，以确保检测的砂面。在室内环境中执行测量砂介质的表面和体积属性允许精确的表征。A、 实验装置一个VV极化测量雷达是专门为这些测量建造的。这种雷达的心脏是一个高频率的矢量网络分析仪（VNA）测量目标在33和37 GHz的（使用的HP8722E模型）频率响应。金字塔角11的波束宽度和35-dB增益放大器能够产生+10 dBm的最大输出功率被用来传输雷达信号。此外，用4.8波束
27、宽度校正透镜喇叭天线用于接收的反向散射信号。整体的实验装置如图9所示。图9 实验装置采用基于VNA测量雷达工作在Ka波段帧的矩形沙箱用塑料做的。它被放置在测量过程中，在实验室的地板上。1.2m2.4m沙箱安置了10cm厚的沙层被包围吸收，以消除任何不必要的反射附近物体在雷达测量。数值模拟表明，使用CRT的体积散射强度是不敏感的沙层厚度的厚度，一旦超过7cm。验证实验使用不同的设置，即10cm厚的沙层被放置在一个木制的沙箱，反过来，放置在一个转台的顶部。木沙箱的大型三面12cm（与理论的雷达横截面（RCS）+11 DBSM）划归。沙层的雷达测量表明，根据木沙箱放置在三面雷达响应没有影响。这意味着Ka波段信号的传播遭受了重大往返衰减通过沙层。它还指出，散射砂土层的顶端部分是显性。一旦图9所示的实验
