时域有限差分法和物理光学法在粗糙面与目标复合电磁散射中的应用

发布时间：2020-07-15 06:49

【摘要】：本论文围绕粗糙面与目标复合电磁散射开展研究,具体采用时域有限差分法(FDTD)和物理光学法(PO)两种方法。时域有限差分法是一种时域低频数值方法,它通过电场和磁场在空间和时间的差分递推模拟电磁波传播以及电磁波与物质的相互作用,因而不需要求解格林函数和矩阵方程,其操作方法简单灵活,优点是可以处理结构及媒质组成较为复杂的模型并且计算精度很高,但是计算速度较慢,并且对计算机内存消耗很大,很难满足快速高效求解电大尺寸问题的需求。物理光学法是一种频域高频近似方法,它根据几何光学近似计算散射体上的表面感应电流,将散射场表示为该感应电流的积分,其物理概念清晰且易于编程实现,优点是对计算机资源消耗少可以快速解决电大尺寸问题,但是其在大角度散射区域得到的结果不准确。本文根据两种方法的优缺点,将时域有限差分法应用到双负材料涂覆目标与粗糙面的复合电磁散射中,将物理光学法应用到目标与大尺寸粗糙面的复合电磁散射中。论文主要工作包含以下几个部分:一.借助Drude色散模型,通过引入辅助极化电磁流密度的方式重构了双负材料模型中的麦克斯韦方程组,利用FDTD方法模拟了电磁波在一维和二维双负材料中的传播特性,并利用FDTD计算了二维涂覆双负材料目标的雷达散射截面(RCS),计算结果表明双负材料涂层可以有效地减小目标雷达散射截面。首次将双负材料涂覆目标与随机粗糙面相结合,研究了一维粗糙面与涂覆双负材料目标的复合散射特性,并通过详细分析不同双负材料涂层等离子体频率、等离子体碰撞频率以及厚度对复合散射系数的影响,讨论了双负材料媒质的隐身机理。二.将PO与PO结合提出了PO-PO算法。该算法将PO方法分别应用到目标和粗糙面上,结合多路径思想和惠更斯原理通过迭代的方式求解粗糙面与目标之间的耦合场。利用该方法求解了一维粗糙面与二维目标的复合散射,并与传统矩量法(MoM)结果进行了对比验证。结果发现,虽然该算法是高频近似方法之间的结合,但是精度依然很高,适合于计算电大尺寸模型。另外研究了粗糙面参数、目标参数、入射波参数等对散射系数的影响,计算了时变动态海面上方高速飞行导弹目标的多普勒谱,并详细分析了海面风速、入射角度、飞行目标高度以及耦合效应对多普勒谱的影响。三.针对PO-PO方法中PO计算大粗糙度粗糙面上的一次电磁流不够准确的问题,采用更为准确的积分方程方法(IEM)计算了大粗糙度粗糙面的电磁散射,并进一步将IEM和PO结合,推导了IEM-PO混合方法。利用该方法计算了高海情下一维粗糙海面以及大粗糙度下一维粗糙地面与上方目标的双站雷达散射系数,并与MoM的结果进行了对比,结果表明两种方法在中小角度内具有很好的一致性,并进一步讨论了不同风速、不同入射角以及不同目标尺寸等参数对散射系数的影响。四.在PO-PO和IEM方法的启发下,提出了一种在粗糙面上下方表面都进行迭代的双迭代物理光学法(BIPO)。该方法根据边界条件将粗糙面上方的等效电磁流引入到粗糙面下方,当粗糙面上下方都有目标存在时,通过上下方同时迭代的方式计算粗糙面和目标上的表面电磁流。经过验证,基于该双迭代机理的BIPO相较于PO-PO的应用范围大大扩展,可以计算粗糙面中半掩埋目标模型、分层粗糙面与目标的复合模型以及分层粗糙面模型,利用该方法计算了一维海面上不同漂浮二维模型和两层地面上方二维目标模型的复合散射系数,详细分析了目标类型、尺寸、粗糙面粗糙度等参数对雷达散射系数的影响。五.将二维空间中的PO-PO方法扩展至三维空间,推导了PO-PO方法计算三维目标和二维粗糙面复合散射系数的公式。利用PO-PO方法计算了二维粗糙面上方三维目标的差场散射系数,并将涂覆目标建模成分层模型,计算了粗糙面上方涂覆目标的差场散射系数,通过与商业软件和其他数值算法的对比,验证了其正确性。本文还利用该方法计算了三维分层粗糙面的散射,分析了不同粗糙面参数对归一化雷达散射系数的影响。针对PO-PO在迭代计算中的时间高消耗问题,采用基于OpenMP的多核并行高性能计算,加速了耦合感应电磁流的计算,测试结果表明,基于OpenMP的并行代码能有效减少计算时间。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O441
【图文】：

行高性能计算，加速了耦合散射的计算，测试结果表明，基于 OpenMP 的并行代码能有效减少计算时间。图1.1 论文结构框架随机粗糙面建模是粗糙面电磁散射特性研究的基础，粗糙面作为分布性的随机粗糙目标，它是由均方根高度、相关长度、功率谱密度、概率密度函数、均方根斜率以及结构函数等统计参数来表征的[123]。如何将粗糙面的统计参数与实际粗糙面相联系，

二维 DNM 涂覆目标及其与一维粗糙面复合散射的 FDTD 方J E m mJ H 数，单位为 法拉第 /米(F / m)； 为磁导系数，单位为 亨单位为 西门子 /米(S / m )，表示介质的电损耗；m 为磁)，表示介质的磁损耗。r 和r 分别表示介质的相对介个量无量纲。在真空中， 0， 1r ， 1r ，0 1210 F/m 。理论上，如果一种介质的相对介电常数和相界条件影响，即在电磁波照射下，在任意频率、任意方向想介质，例如真空。但是在现实世界中，r 和r 往往是标系的函数。(2-2a)式和(2-2b)式可以反映出现实世界介r 和r 与空间坐标无关；对于线性介质，r 和r 与电场各向同性介质，r 和r 与电场和磁场在介质中的方向无z

式结合起来，可将(2-6)式离散。离散后使(2-4)-(2-6)式构成显式的差分递推方程。该过程和结果，可在任何一本有关 FDTD 的著作中找到，本文不再赘述。图2.2 散射问题中的 FDTD 区域划分

本文编号：2756135