中文摘要：

土壤湿度微波遥感反演精度受控于物理模型及土壤粗糙面模型，高斯相关粗糙面模型的后向散射和发射率结果都低于测量值。实测表明地表是指数相关粗糙面，其一维粗糙面的矩量法数值仿真验证了它的后向散射和发射率远大于高斯相关的，并且常用的AIEM计算指数相关粗糙面不再有效。对于二维指数相关土壤粗糙面的电磁数值仿真，必须取高阶基函数和足够大的样本面积、离散密度，才能保证特别是交叉极化分量和发射率的计算精度。本研究截断粗糙谱的高频分量克服计算收敛困难，发展并行的混合UV-SMCG快速算法，从而大幅度降低计算量和内存。拟在1.26～36.5 GHz范围内，基于严格的Maxwell方程，仿真二维指数相关地表的全极化信号矩量法解。其在L波段的结果，包括交叉极化分量，将应用于我国土壤湿度微波遥感及美国的SMAP计划，以更精确地反演全球土壤湿度；另外，其全极化信号的频率特性将为今后土壤遥测的发展提供理论支撑及技术储备。

结论摘要：

土壤水分对全球碳循环、水循环和气候变化研究至关重要。而遥感信号中，地表粗糙度的影响很大，并与土壤湿度耦合在一起。我们对粗糙面散射和辐射问题进行了深入研究，并获得了一系列的研究成果。首先，我们研究了风侵蚀类波纹状随机粗糙面的散射。通常，由于非相干散射包含粗糙度和介电常数信息，可用于土壤湿度、海表风速等的反演，比较受重视；而常规高斯粗糙面的相干波散射仅可能出现在镜向上，被认为不那么重要。但我们的研究表明，波纹状粗糙面的相干散射是多方向的，其相干散射方向图包含有粗糙面的几何结构信息，可用于设计新的成像系统。其次，鉴于格陵兰岛的遥测结果出现了罕见的极大第三、第四Stokes参数，第一、第二Stokes参数降低，我们研究了双层随机粗糙面的Stokes参数，在L、X、和K波段都得到能跟测量结果比拟的数值结果，揭示其电磁作用机理，对格陵兰岛表面风速的反演有积极的作用。另外，我们研究了左手介质随机粗糙面的吸波特性，首次发现其粗糙度对吸收率的负贡献，与正常介质是完全相反的。同时从理论上对这种反常物理现象进行了解释。目前，我们正着手数值结果和地物遥感实用的散射矩阵、相干矩阵和协方差矩阵的联系。