基于FDTD的多层随机粗糙面散射场研究
发布时间：2021-11-15 23:47
自然界中许多地貌存在分层现象,为了更好的研究常见分层现象的特征,需要研究分层粗糙面中下垫面对后向散射特性的影响。本文主要研究使用基于卷积完全匹配层（CPML）的时域有限差分（FDTD）方法计算多层随机粗糙面的散射特性,从时域角度出发,分析了均匀介质随机粗糙面以及多层随机粗糙面的散射特性,主要研究分为四部分:（1）研究了FDTD方法中的两种吸收边界条件即单轴各向异性完全匹配层（U PML）吸收边界条件和CPML吸收边界条件,并且对这两种吸收边界条件进行了定性比较,分析了CPML吸收边界条件应用于FDTD方法中相较于UPML方法在计算随机粗糙面散射场的优越性,并选定CPML边界作为本次研究的吸收边界条件。详细介绍了FDTD程序的总场边界条件和外推边界条件,验证了使用基于CPML吸收边界条件的FDTD程序正确性。（2）详细推导了时谐场入射时的远场外推公式,在此基础上完成了二维半空间FDTD程序的编写并进行了验证,给出了单层二维随机粗糙面和双层二维随机粗糙面的FDTD计算模型,详细介绍了模型中每一个模块的实现算法。使用FDT D程序对具有不同的系统参数和随机粗糙面参数的粗糙面进行仿真并对结果进...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Yee元胞中电磁场空间分布图
电子科技大学硕士学位论文8121;21122ttCCtt(2-11)1212(,12,12)3(,12,12)(,1,12)(,,12)4[(,12,1)(,12,)]nnxxnnzznnyyHijkCHijkEijkEijkCyEijkEijkz(2-12)式(2-12)中有：123;41122mmmttCCtt(2-13)其中，C1,C2,C3,C4是与介电系数、磁导系数、电导率和导磁率有关的函数。同理，可以根据公式(2-5)，(2-6)，(2-8)，(2-9)获得yE，zE，yH，zH的差分公式。使用FDTD算法进行散射问题求解时的问题空间划分如图2-2所示。图中总场边界用于引入入射波，同时将FDTD计算区域划分为总场区和散射场区并将入射波限制在总场区，使得总场边界外部区域只含有散射场，内部区域既含有散射场又包含入射常在实际应用场景中，受限于计算机内存等原因，FDTD算法只能计算有限区域的场，为了能够模拟无限空间的情况，就必须在计算区域外设置吸收边界条件用于吸收外向行波，同时防止边界出现反射波进入散射场区，影响散射场的计算。另外，为获得目标的散射系数等远场参数，根据表面等效定律，需要获得并记录散射场区场值，因此在散射场区设置了一层输出边界用于近场外推远常综上所述，FDTD算法中的重点和难点就是连接边界、吸收边界、输出边界三个边界问题的处理[27]。图2-2散射问题中FDTD问题空间划分
第二章FDTD基本原理9FFDTD方法作为一种数值方法，需要考虑算法的稳定性和收敛性。所以为了让FDTD方法得到的解具有准确性和稳定性，离散的空间步长需要满足x10,y10,z10(2-14)离散的时间步长需满足CFL条件，它要求时间增量t相对于空间网格小于一个特定的值，即有2221(1/)(1/)(1/)tcxyz(2-15)其中c1是电磁波在介质中的相速度；是电磁波的波长。对于脉冲信号，应以脉冲信号带宽中最大频率maxf对应的波长min来代替式(2-15)中的。FDTD算法流程图如图2-3所示，首先设置问题空间和参数，包括导入散射体，设置网格参数和时间步进及初始化电磁场等，计算FDTD方程中的更新系数并保存，然后进入循环主体，在不同时间步更新电磁场并引入入射场，最后应用边界条件吸收外向行波，保存外推边界上的电磁场数据用于远场外推，直到循环结束。图2-3FDTD程序流程图
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于PM谱的二维各向异性海面电磁散射的微扰法研究[J]. 陈振伟,任新成,田炜,吴杨,于琼. 延安大学学报(自然科学版). 2014(04)
[2]一维海面双站电磁散射的二阶小斜率近似研究[J]. 苗红梅. 河南科学. 2014(06)
[3]角度截断双尺度模型模拟粗糙海面后向散射特性[J]. 聂丁,张民,殷红成. 系统工程与电子技术. 2010(10)
[4]基于微扰法的指数型粗糙面光散射研究[J]. 田炜,任新成,刘继芳. 延安大学学报(自然科学版). 2008(03)
[5]基尔霍夫近似下高斯粗糙面透射波散射系数的特征研究[J]. 任新成,郭立新. 上海航天. 2008(02)
[6]基于单积分方程矩量法的海洋表面微波散射模拟[J]. 夏明耀,伍振兴. 电子学报. 2005(03)
[7]双尺度动态分形粗糙海面的电磁散射及多普勒谱研究[J]. 郭立新,王运华,吴振森. 物理学报. 2005(01)
[8]随机表面散射光场的格林函数法与基尔霍夫近似的比较[J]. 刘春香,程传福,任晓荣,刘曼,滕树云,徐至展. 物理学报. 2004(02)
[9]下视雷达对海杂波中船目标监测的散射回波数值模拟[J]. 金亚秋,李中新. 科学通报. 2002(16)
[10]双网格前后向迭代与谱积分法计算分形粗糙面的双站散射与透射[J]. 李中新,金亚秋. 物理学报. 2002(07)
博士论文
[1]粗糙面及其与目标复合电磁散射的FDTD方法研究[D]. 李娟.西安电子科技大学 2010
硕士论文
[1]基于双尺度面元模型的二维海面电磁散射及杂波特性分析[D]. 何敏.西安电子科技大学 2015
本文编号：3497745
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Yee元胞中电磁场空间分布图
电子科技大学硕士学位论文8121;21122ttCCtt(2-11)1212(,12,12)3(,12,12)(,1,12)(,,12)4[(,12,1)(,12,)]nnxxnnzznnyyHijkCHijkEijkEijkCyEijkEijkz(2-12)式(2-12)中有：123;41122mmmttCCtt(2-13)其中，C1,C2,C3,C4是与介电系数、磁导系数、电导率和导磁率有关的函数。同理，可以根据公式(2-5)，(2-6)，(2-8)，(2-9)获得yE，zE，yH，zH的差分公式。使用FDTD算法进行散射问题求解时的问题空间划分如图2-2所示。图中总场边界用于引入入射波，同时将FDTD计算区域划分为总场区和散射场区并将入射波限制在总场区，使得总场边界外部区域只含有散射场，内部区域既含有散射场又包含入射常在实际应用场景中，受限于计算机内存等原因，FDTD算法只能计算有限区域的场，为了能够模拟无限空间的情况，就必须在计算区域外设置吸收边界条件用于吸收外向行波，同时防止边界出现反射波进入散射场区，影响散射场的计算。另外，为获得目标的散射系数等远场参数，根据表面等效定律，需要获得并记录散射场区场值，因此在散射场区设置了一层输出边界用于近场外推远常综上所述，FDTD算法中的重点和难点就是连接边界、吸收边界、输出边界三个边界问题的处理[27]。图2-2散射问题中FDTD问题空间划分
第二章FDTD基本原理9FFDTD方法作为一种数值方法，需要考虑算法的稳定性和收敛性。所以为了让FDTD方法得到的解具有准确性和稳定性，离散的空间步长需要满足x10,y10,z10(2-14)离散的时间步长需满足CFL条件，它要求时间增量t相对于空间网格小于一个特定的值，即有2221(1/)(1/)(1/)tcxyz(2-15)其中c1是电磁波在介质中的相速度；是电磁波的波长。对于脉冲信号，应以脉冲信号带宽中最大频率maxf对应的波长min来代替式(2-15)中的。FDTD算法流程图如图2-3所示，首先设置问题空间和参数，包括导入散射体，设置网格参数和时间步进及初始化电磁场等，计算FDTD方程中的更新系数并保存，然后进入循环主体，在不同时间步更新电磁场并引入入射场，最后应用边界条件吸收外向行波，保存外推边界上的电磁场数据用于远场外推，直到循环结束。图2-3FDTD程序流程图
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于PM谱的二维各向异性海面电磁散射的微扰法研究[J]. 陈振伟,任新成,田炜,吴杨,于琼. 延安大学学报(自然科学版). 2014(04)
[2]一维海面双站电磁散射的二阶小斜率近似研究[J]. 苗红梅. 河南科学. 2014(06)
[3]角度截断双尺度模型模拟粗糙海面后向散射特性[J]. 聂丁,张民,殷红成. 系统工程与电子技术. 2010(10)
[4]基于微扰法的指数型粗糙面光散射研究[J]. 田炜,任新成,刘继芳. 延安大学学报(自然科学版). 2008(03)
[5]基尔霍夫近似下高斯粗糙面透射波散射系数的特征研究[J]. 任新成,郭立新. 上海航天. 2008(02)
[6]基于单积分方程矩量法的海洋表面微波散射模拟[J]. 夏明耀,伍振兴. 电子学报. 2005(03)
[7]双尺度动态分形粗糙海面的电磁散射及多普勒谱研究[J]. 郭立新,王运华,吴振森. 物理学报. 2005(01)
[8]随机表面散射光场的格林函数法与基尔霍夫近似的比较[J]. 刘春香,程传福,任晓荣,刘曼,滕树云,徐至展. 物理学报. 2004(02)
[9]下视雷达对海杂波中船目标监测的散射回波数值模拟[J]. 金亚秋,李中新. 科学通报. 2002(16)
[10]双网格前后向迭代与谱积分法计算分形粗糙面的双站散射与透射[J]. 李中新,金亚秋. 物理学报. 2002(07)
博士论文
[1]粗糙面及其与目标复合电磁散射的FDTD方法研究[D]. 李娟.西安电子科技大学 2010
硕士论文
[1]基于双尺度面元模型的二维海面电磁散射及杂波特性分析[D]. 何敏.西安电子科技大学 2015
本文编号：3497745
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