基于高性能计算的电磁数值模拟在目标电磁散射特性分析中发挥着越来越重要的作用.由于任一种数值方法都有一定的适用范围，不能高效处理所有问题，因此，有必要发展和集成多种数值方法，形成能够为不同类型问题的雷达散射截面（radar cross section，RCS）计算提供高效解决途径的软件系统.文中在并行自适应结构/非结构网格应用支撑软件框架之上，充分考虑数值方法的可扩展性以及物理个性的可分离性，通过基于机理、数据的混合可计算建模和接口设计，以及算法的模块化开发，发展了多种用于RCS计算的数值方法，并将其集成到高性能电磁数值模拟软件系统JEMS中.数值算例表明了JEMS具有高效分析多种目标电磁散射特性的能力，并在大规模并行计算方面具有显著优势.

极化雷达可以直接测量出雷达目标的2×2散射矩阵信息，与传统雷达相比，极化雷达的突出优点在于测量数据包含的信息量远大于传统雷达，因而在很多领域都获得了重要应用.本文将对目标极化散射特征提取的发展概况进行综述，包括基于矩阵分解的目标特征参数提取以及直接提取目标极化散射特征的方法等，并对其中存在的问题进行评论，对未来的发展进行展望.

作为金属的替代品，碳纤维增强复合材料已被越来越广泛地用于飞行器、舰船和导弹等目标的壳体制造，而碳纤维增强复合材料的屏蔽效能对目标体的电磁安全起着重要作用.采用常规的全波分析方法计算碳纤维增强复合材料的屏蔽效能存在两大难题：复杂的材料属性和薄层带来的电大多尺度问题.为实现对碳纤维增强复合材料薄层的高效建模，通常采用均匀化的方法来等效具有复杂材料属性的复合材料，采用嵌入式薄层模型技术解决电大多尺度问题.本文将从均匀化方法和嵌入式薄层模型技术两个方面来探讨碳纤维增强复合材料薄层高效建模方法，并概述自主研发的大规模并行全波分析软件JEMS-FDTD及其集成的嵌入式薄层模型技术.最后，通过计算实例说明集成了嵌入式薄层模型的JEMS-FDTD软件在对碳纤维增强复合材料进行建模的正确性和高效性，并通过模拟仿真壳体为碳纤维增强复合材料飞机的屏蔽效能，说明集成了嵌入式薄层模型的JEMS-FDTD软件的实际应用价值.

随着计算电磁学和计算机技术的迅速发展，电磁散射特性建模技术从算法研究向产品化、集成化、工程化发展.文中分析了探测、识别、伪装等实际工程应用中对电磁散射特性建模技术的具体需求，总结了几何建模、网格剖分、电磁计算和模型验证等建模流程中存在的关键问题与解决方式，以及电磁散射建模技术的发展特点.

经过图像定标后的雷达图像及其像素值具有雷达散射截面（radar cross section，RCS）的量纲，但是对于该像素值是否能代表目标实际RCS电平一直存在不同的理解.本文通过引入与传统RCS定义相一致的目标散射函数和散射分布函数基本概念，结合经典目标的散射机理和雷达像分析，讨论复杂目标高分辨率雷达图像理解和对像素值的解释.研究表明：雷达图像的像素值不应直接解释为目标的RCS电平，但在空间频率域和图像域，两者数据之间满足帕萨瓦定理；在小孔径角成像条件下，空间频率域的RCS均值等于强度图像的全部像素值之和.

载荷指向信息是空间目标在轨工作状态感知的重要依据，文中提出了一种基于逆合成孔径雷达（inverse synthetic aperture radar，ISAR）图像中的轴向特征匹配与重建的空间目标载荷指向估计方法，可以反演出空间目标天线载荷的具体指向及观测区域.该方法首先利用Randon变换和极值点检测等从ISAR图像中提取出天线载荷的两个轴线方向，然后再将该轴向特征与仿真特征模板库进行匹配，实现天线载荷轴向姿态角的粗略估计，同时利用三维矢量到二维平面的几何转换关系，建立载荷轴向在轨道坐标系与ISAR成像坐标系之间的姿态解算公式，根据姿态角粗略估计结果及三维重建矩阵实现载荷轴向及指向姿态的优化求解.基于动态仿真数据验证了该方法的有效性.

非线性目标的探测与识别在国防、反恐、安保、救援、交通安全等领域均具有重要意义.为提高上述场景下对非线性目标的探测识别能力，文中以典型的非线性器件——肖特基二极管为例，构建了非线性目标的谐波散射模型，并在此基础上利用不同类型非线性目标散射的各次谐波强度与变化趋势不同的特性，提出了一种利用数理方法提取分析目标散射特征参数进而实现对非线性目标探测识别的方法.实验结果显示，本次提出的方法在小样本下对未知非线性目标的识别率在81%左右，证明了该方法对非线性器件有较好的探测与识别能力.

提出一种基于自适应核字典学习的合成孔径雷达（synthetic aperture radar，SAR）目标识别方法.该方法首先将SAR图像的特征信息通过核函数映射到高维度的核空间中并进行字典学习；然后根据更新后的字典动态计算稀疏度；最后依据最小重构误差准则实现SAR目标识别.在公开数据集MSTAR上的仿真实验结果表明，该方法提取到的特征信息可分度高，对SAR目标的识别具有较好的性能.

针对含有活动部件的空中动态目标成像方法进行研究，分析活动部件对空中动态目标成像的干扰，通过自适应小波变换分离活动部件及目标，剔除活动部件对成像结果的影响；提取清晰的散射中心，然后基于逆合成孔径雷达（inverse synthetic aperture radar，ISAR）图像灰度级不连续点寻找区域边界，将目标点和背景分离，采用自适应边界收敛方法对目标区域进行轮廓特征提取，得到了良好的目标轮廓特征.所提算法不仅可剔除旋转部件对散射中心的干扰，同时可提取良好的目标ISAR特征.采用实测数据对方法进行了验证.

逆合成孔径雷达（inverse synthetic aperture radar，ISAR）对非合作目标做成像时图像质量依赖于对目标运动参数的准确估计.针对在稀疏孔径和非均匀转动条件下现存的参数估计方法计算量过大或者方法适用条件不满足，提出了一种基于神经网络的参数估计方法.此方法以成像问题的模型知识指导数据的生成过程，然后训练通用的神经网络，最终实现将数据中隐含的知识转化为转动估计器.从仿真实验结果来看，所得到的网络对满足一定信噪比要求的回波数据可以提供较准确的估计，所得参数可以帮助成像算法提高聚焦效果，大量的样例表明网络可以部分学习到回波与转动之间的关系.

针对复杂的有限大频率选择表面（frequency selective surface，FSS）结构阐述了一种改进的非重叠和非共型的体面积分方程区域分解方法（volume-surface integral equation domain decomposition method，VSIE-DDM）.为了对其进行高效的电磁分析，我们在最近发展的VSIE-DDM的基础上开发了不同的分区方式，每个子区域不必相同大小，可以任意形状，使该VSIE-DDM分区更加灵活.并且由于FSS的精细单元和薄介质基底，导致网格比较稠密，因此得到维度比较大的矩阵.为了更高效计算更大维度的子区自耦合矩阵的逆，使用了内外迭代技术使得该方法可以采用电尺寸更大的子区，获得更好的收敛性，进一步提高了仿真效率.通过几个数值算例验证了本文所提算法的计算性能.

基于电流的矩量法（method of moments，MoM）和物理光学法（physical optics，PO）的混合算法是目前求解电中尺度和多尺度目标电磁散射和辐射的主要方法，在计算MoM区和PO区的耦合作用时需要对PO区域进行亮区判断.传统纯CPU亮区判断方法时间复杂度为O（N²），时间消耗随着面片数量N增加而急剧增大.文中通过GPU渲染功能及对深度缓冲区（zbuffer）的利用，对PO亮区判断过程进行加速，亮区消耗时间与面片数量无直接联系，在面片数量达到10⁵数量级以上加速优势明显.将加速的MoM-PO混合方法应用于复杂目标与粗糙面的组合情况，对比多层快速多级子（multi level fastmultipole method，MLFMA）方法，相比于纯PO方法，获得较高的精度.相比于单一算法，混合算法有明显优势.

实际雷达目标散射中心有别于理想散射中心，具有复杂的方位特性，其散射幅度和位置随雷达观测角度改变而变化.文中基于不同类型散射中心的方位特性，提出了一种简单有效的大角度成像数据复杂度缩减方法.通过分析和预估各散射中心的有效观测角度范围，仅选择有效观测范围之内的散射场数据用于后续成像.该方法可以实现利用较少观测角下的散射回波数据获得与大角度成像结果相同的图像特征.数值结果证实，弹头目标的数据压缩率可达到45%以上，飞机目标的压缩率则达到80%以上.本文的研究结果对于雷达成像仿真、雷达图像解译等具有参考意义.

针对飞行器目标在实际飞行过程中由于飞行姿态变化对目标电磁散射截面（radar cross section，RCS）的影响，提出了一种新的动态目标电磁散射建模方法.首先，对飞行器目标精确建模问题，提出了利用激光扫描方法对真实目标进行外形扫描，再通过逆向重构技术得到目标精确几何外形；然后利用实际飞行过程中测试数据，将获取的目标相对于雷达视向角信息代入仿真程序中，使用一体化电磁散射计算软件对一定航路上运动目标进行仿真计算，消除飞行姿态扰动对仿真数据的影响，使动态目标电磁散射建模更加符合实际飞行情况.仿真结果表明，本文方法可快速、准确获取飞机目标动态RCS仿真结果，具有很好的工程应用价值.

针对目标在谐振区的散射模型，提出了将高频方法应用于谐振区的两种改进办法，用以解决高频方法在谐振区精确度有所下降的问题.在谐振区，随着频率和目标电尺寸的降低，对于表达式中的高频级数解，需要更多的求和项才能使级数得以收敛，除此之外还考察了高阶爬行波对散射场的影响.在此基础上，为了分析谐振区的散射特性与散射机理，将混合几何光学-物理光学算法与一致性几何绕射理论相结合，同时推导了爬行波随爬行距离等参数衰减的表达式，并且通过计算金属球和二维圆柱的散射场，总结出目标在谐振区的散射特性.

为了更好地解译探地雷达（ground-penetrating radar，GPR）回波数据，建立了一种二维时域有限差分模型，用于模拟地下分层结构（混凝土层/粘土层）和多个埋藏目标（金属板/条、空洞、水/油管）的GPR探测.对于该模型，地下分层结构中的分界面设置为粗糙界面，采用电磁微分高斯脉冲作为GPR源，并用单轴完全匹配层介质对计算区域边界进行截断以模拟无界区域.通过数值计算得到了探地雷达B-scan扫描的回波仿真结果，并讨论了埋藏深度、几何形状、介电常数、电导率等对回波散射特性的影响，以及目标受其上方不同粗糙度的粗糙界面影响而产生的回波形态的改变.该结果中显示的各个回波的形态、方位、振幅强弱以及到达的时间均与模型中各个结构的外形、位置、媒质特性及埋藏深度相一致，验证了该计算模型的有效性.

针对电大尺寸飞行器表面周期性布阵阵列天线的雷达散射截面（radar cross section，RCS）计算，文中在分析已有电磁数值计算方法的基础上，将矩量法与信号处理中的Fourier级数拟合有机结合，通过子阵外推得到了一种二维面阵RCS的快速计算方法.并将该方法与传统电磁商用软件FEKO的效率进行对比，效率提高了将近25倍，验证了算法的高效性与正确性.通过进一步的二维面阵暗室实测与仿真数据对比，RCS曲线主瓣与周围副瓣基本贴合，验证了算法的可行性.

提出并设计了一种基于非对称开口圆环形结构的极化转换单元，并以此为基础设计实现了超宽带雷达散射截面（radar cross-section，RCS）缩减电磁超表面.利用非对称开口圆环形结构极化转换单元可灵活设计转极化反射相位的特点，设计了两种极化转换单元以实现在超宽频带范围内满足反射相位相差接近180°，将这两种单元在平面上进行编码优化排布，使得入射电磁波产生漫反射效应从而实现超宽带后向散射RCS缩减.最后设计并加工了一个192 mm×192 mm尺寸的电磁超表面，仿真和实测结果表明该表面在11.2~24.1 GHz的宽频带内实现了10 dB以上的RCS缩减，最大缩减可达35 dB.

导电聚合物材料聚（3，4-乙撑二氧噻吩）：聚（4-苯乙烯磺酸盐）（PEDOT：PSS）是一种在太赫兹波段很有潜力的多功能材料，PEDOT：PSS薄膜的介电性能可以通过掺杂有机溶剂二甲基亚砜（DMSO）来改变.文中利用太赫兹时域光谱（terahertz time-domain spectroscopy，THz-TDS）技术对DMSO掺杂PEDOT：PSS薄膜在太赫兹波段的介电常数进行研究，结合Drude-Smith模型计算了DMSO掺杂PEDOT：PSS薄膜的载流子浓度和载流子迁移率，全面分析了DMSO掺杂PEDOT：PSS薄膜的介电性能.研究表明：薄膜的介电性能可以通过调节掺杂量而改变，当掺杂浓度提高至15 vol%时，薄膜表现出金属特征，而未掺杂和低掺杂浓度的薄膜仍然表现半导体特征.