横向沙丘表面与上方矩形截面柱复合电磁散射的FDTD研究

分别使用指数型分布和高斯型分布表示沙漠表面的高度起伏状况,采用蒙特卡罗方法模拟横向沙丘表面和沙丘与沙丘间平坦沙漠表面,运用Herkelrath提出的土壤湿度与介电常数的通用式计算沙土的介电常数,选用FDTD数值计算方法分析高度起伏均方根、入射角度、目标长度、目标宽度、目标高度、横向沙丘的高度和横向沙丘迎风坡坡底到坡顶的水平距离的变化对散射系数的影响,得到横向沙丘表面与上方目标的复合电磁散射特性。分析了粗糙面为指数型分布和高斯型分布时散射系数的角分布曲线的不同之处。

一种基于非均匀磁化等离子体的修正Z-FDTD算法

对已有的Z变换时域有限差分法(Z-transformation Finite Difference Time Domain,Z-FDTD)在电磁波与非均匀磁化等离子体中的传输特性分析的计算误差问题进行了研究,并探讨了一种修正计算误差的Z变换时域有限差分方法(Modified Z-transform Finite Difference Time Domain,MZ-FDTD),以提升Z-FDTD方法对非均匀磁化等离子体的适用性。对MZ-FDTD和Z-FDTD之间的计算误差问题,通过严格的公式推导求得该误差的计算公式,并引入误差分析因子,对比分析了该误差受空间步长和非均匀磁化等离子体的物理特性的影响特征,在充分的误差分析与网格参数对比后,以电磁波在非均匀磁化等离子体中的传输特性为分析目标,举例说明了MZ-FDTD的优越性。研究结果表明,相比于经典Z-FDTD,通过MZ-FDTD方法计算得到的数值结果具有更高的计算准确度,较低的运行时间和较少的运行内存占用。此外,对电磁波在非均匀等离子体中传输特性分析的举例说明也证明了相比于Z-FDTD,优化的Z-FDTD方法无论是在较低频段还是较高频段都保持较好的稳定性。在今后的工作中,使用MZ-FDTD方法研究非均匀磁化等离子体问题将会获得更好的计算结果,这项工作中的误差分析方法也将对某些计算电磁学在等离子体中的应用与优化工作起到一定的帮助作用。

基于JEC-FDTD等效循环神经网络的电磁建模和等离子体参数反演

磁化等离子体中的电磁波传播是重要的研究课题,针对特定场景下的电磁等离子耦合问题,进行有效且准确的方程建模与参数求解具有极强的研究价值和挑战性,这是探究电磁波与等离子体复杂非线性相互作用机制的关键。文中设计了一种可用于电磁等离子体正逆向建模的循环神经网络(recurrent neural network,RNN),该网络正向传播过程等价于任意磁倾角情况下的电流密度卷积时域有限差分(current density convolution finite-difference time-domain,JEC-FDTD)方法,因此可以求解给定的电磁建模问题,并易于大规模并行计算。通过构建前向可微模拟过程,JEC-FDTD方法可以使用自动微分技术准确且高效地计算梯度,然后通过训练网络来解决反问题。因此,该方法可以有效利用观测到的时域散射场信号反演重要的等离子体参数。JEC-FDTD方法和RNN相结合,形成了较强的协同效应,使得模型具有可解释性和高效的计算效率,受益于深度学习提供的优化策略和专用硬件支持,可以适用于不同仿真场景下的电磁建模和等离子体参数反演。

基于稀疏采样的FDTD/TDPO混合优化算法

基于时域有限差分(finite-difference time-domain,FDTD)和时域物理光学(time-domain physical optics,TDPO)的混合算法提出用稀疏采样优化近场外推的方法,解决了大口径反射面天线电磁计算用时过长、计算效率低的问题。传统混合算法中馈源的近场外推到反射面天线的步骤计算量较大,稀疏采样法从空间和时间两个维度进行间隔采样,减少了此步骤的计算量,从而节省了用时。给出了馈源为喇叭天线、抛物面口径为100个波长的抛物面天线算例,所得计算结果与传统方法相比最大相对误差仅有-36.03 dB,用时最快可缩短为原来的2.51%,与CST软件计算结果对比吻合度较高,用时缩减了93.18%,验证了本文优化算法可在不影响计算精度的前提下提高计算效率。

利用FDTD计算超薄金壳中的等离子银纳米空腔

通过时域有限差分方法,对超薄金壳中的等离子银纳米空腔进行模拟分析。发现带有金壳的银纳米颗粒场增强效果要高于纯银纳米颗粒,并且理论上超薄的金壳还可以保护银纳米颗粒,防止其被氧化。通过与金膜相结合,形成腔型结构,发现场增强更加明显。这种结构是一种实验上可以实现的简单结构。这项工作为开发具有宽光谱增强电磁场的等离子金属纳米腔体结构铺平了道路。此外,这项研究还为生命科学领域的成像和检测提供了一种有效的SERS基底。

基于ADI-FDTD法的探地雷达正演数值模拟及验证

探地雷达(GPR)是一种应用前景广泛、用于探测和定位地下物体的浅层地球物理方法。通过开展探地雷达正演模拟研究,可以获得复杂地下结构的探地雷达图像回波特征。时域有限差分(FDTD)法受到稳定性和收敛性条件的限制,导致效率和精度低。交替方向隐式-时域有限差分(ADI-FDTD)法克服FDTD法的稳定性限制,可以选择更大的时间步长来提高计算效率。从原理出发,对ADI-FDTD法进行公式推导,在基于ADI-FDTD法的基础上进行卷积完全匹配层(CPML)的结合。通过进行ADI-FDTD法的时间稳定性仿真和不同材质、不同填充介质的双管,沙槽正演模拟实验,结果表明,ADI-FDTD法可以保证时间无条件稳定性,相同情况下可采用更大的时间步长进行正演模拟,提高正演效率。对不同管线、不同材质情况下的正演剖面曲线特征进行解译分析,最后与沙槽实测进行对比,证明得到的探测解译结果与实际状况达到较好的吻合。

并行共形FDTD算法及其在PBG结构仿真中的应用

本文研究了MPI信息传递接口支持下的 3维并行共形网格FDTD算法 ,并利用典型PC集群的硬件环境进行了具体的实例测试 .采用该方法对一种一维圆形光子带隙微带滤波结构的S参数进行了计算 。

FDTD-PWS法用于分析毫米波透镜天线焦面场

提出一种新的节省计算空间的FDTD-PWS混合算法,并应用于透镜天线的焦面场分析.首先采用FDTD(Finite-Difference Time-Domain)求解得到聚焦透镜天线的口面场的幅度和相位分布,再通过PWS(Plane Wave Spectrum)外推至焦平面,求解得出焦面场分布.根据天线场分布的对称性,将PEC(Perfect Electric Conductor)和PMC(Perfect Magnetic Conduc-tor)边界应用于FDTD的仿真过程,使仿真模型缩减为原模型的1/4,进一步节省了计算空间.应用于毫米波聚焦透镜天线的焦面场仿真分析,并对其焦面场进行平面近场扫描测试,将仿真结果进行探头补偿后与实验数据作比较,证明该方法是精确和高效的.

搅拌器配置对混波室场影响的FDTD分析

混波室能提供统计均匀和各向同性的场,是一种用于辐射发射、屏蔽效能及敏感度测试等电磁兼容测试的小室。本文用FDTD方法分析混波室的场分布,分析了搅拌器不同大小及不同倾斜角度对混波室时间平均场分布的影响,为实际设计混波室的搅拌器提供参考。最后给出了与数值分析相一致的实验结果。

无条件稳定的交替方向隐式FDTD算法

介绍了一种新的FDTD算法———交替方向隐式时域有限差分法 (ADI FDTD)。该方法采用求解微分方程的交替方向隐格式改造了FDTD算法 ,使其能无条件稳定 ,从而极大地节约计算时间 ,成为一种计算时域电磁场分布的高效算法。同时 ,首次尝试利用ADI FDTD方法结合时域近远场变换技术计算天线方向图。数值实验的结果和传统FDTD方法及理论值进行了对比 ,数值结果一致性较好 ,并节约了运算所占用的资源 ,提高了计算效率。

同轴馈电耦合微带天线的MPSTD-FDTD分析

将多区域时域伪谱(MPSTD)与时域有限差分(FDTD)相结合的混合算法应用于同轴馈电耦合微带天线的分析,该混合算法充分发挥两种时域算法的优越性,对同轴馈电耦合微带天线进行了准确建模与快速分析,数值仿真验证了该算法的有效性和准确性。

UPML媒质中无条件稳定的二维ADI-FDTD方法

对单轴各向异性PML(UPML)媒质中二维TM波的交变方向隐式时域有限差分方法 (ADI FDTD) ,通过计算实例表明 ,ADI FDTD方法在UMPL媒质中是无条件稳定的 ,其时间步长不受CFL稳定性条件的限制 ,并且当计算区域内具有精细差分网格时 ,其计算效率明显优于传统的时域有限差分方法 (FDTD)。

基于FDTD算法的隧道建设工程内部缺陷检测研究

文章以基于FDTD算法的隧道建设工程内部缺陷检测模型为主要研究对象,通过正演模拟和试验研究验证该模型对于隧道建设工程内部缺陷检测的准确性和适用性。结果表明:该模型可以实现对隧道建设工程内部缺陷的精确检测和评估,为隧道建设工程的施工和质量评估提供重要的理论依据和技术支持,也可为其他相关领域的缺陷检测研究提供新的思路和方法。

加载天线目标RCS的FDTD计算与分析

提出一种带角点的细导线模型和传统FDTD相结合的方法分析加载斜拉式线天线目标散射特性。为进一步减小目标离散时的台阶化误差和节省计算资源 (内存和时间 ) ,给出一种简化的共形FDTD(SCFDTD)算法。通过坐标旋转使天线长段平行于某固定坐标轴 ,然后建立带有角点的细导线FDTD模型。以变形网格面积与正常网格面积之比 1/ 6作为SCFDTD算法的判据 ,既简化了已有CFDTD算法的复杂度 ,又不失其物理意义。与传统FDTD方法和实验测量结果对比数值计算例子表明了该方法的可行性与有效性。

基于非零散度关系的交替方向隐式减缩FDTD算法

该文证明了即使在无源区域,交替方向隐式时域有限差分法(ADI-FDTD)所给出的电磁场量不满足零散度关系,同时推导出了该散度关系的具体表达式。基于该非零散度关系,将不受Courant稳定条件限制的ADI-FDTD 法和能节约最多达1／3内存的减缩时域有限差分(R-FDTD)法结合,提出了一种新的交替方向隐式减缩FDTD算法。该算法保留了ADI-FDTD能增大时间步长,缩短计算时间的优点,同时与ADI-FDTD相比节约了最多达1／3(三维) 或2／5(二维)的内存。与基于零散度关系的ADI／R-FDTD柑比,该算法避免了采刚长时间步长计算时的发散现象。应用所提出的ADI／R-FDTD算法计算了二维自由空间波的传播及一维频率选择表面垂直入射的问题,计算结果与 ADI-FDTD计算结果完全一致,验证了ADI／R-FDTD的正确性和有效性。

基于CP-FDTD的复杂细缝屏蔽效能分析方法

围绕强电磁脉冲的细缝“后门”耦合问题,介绍了基于CP-FDTD的细缝屏蔽效能分析高效数值模拟方法。在证明CP-FDTD准确性的基础上,从入射电磁场极化方向、入射角度和计算效率三个方面进行了详细分析,验证了CP-FDTD在处理工程复杂细缝电磁脉冲耦合时的适用性。通过将CP-FDTD算法集成于自主研发软件JEMS-FDTD,形成可以高效分析工程复杂细缝屏蔽效能的数值模拟方法,并应用于工程部件细缝结构的屏蔽效能分析。

色散媒质中ADI-FDTD

基于交替方向隐式 (ADI)技术的时域有限差分 (FDTD)法是一种非条件稳定的计算方法 ,该方法的时间步长不受Courant稳定条件限制 ,而由数值色散误差决定。与传统的FDTD相比 ,ADI FDTD增大了时间步长 ,从而缩短了总的计算时间。本文采用递归卷积方法将ADI FDTD推广应用于色散媒质 ,推导了二维情况下色散媒质中的ADI FDTD迭代公式。应用推导公式计算了色散土壤中目标的散射 ,并与色散媒质FDTD结果对比 ,在大量减少计算时间的情况下 ,两者结果符合很好。

Thompson-FDTD与经典FDTD方法之比较

由流体力学领域的微分-Thompson变换与时域有限差分（FDTD）技术结合起来形成的Thompson－FDTD方法，在处理不规则形体的电磁散射问题、任意调配网格分布等方面具有较突出的优势。本文将就其与经典FDTD方法在计算典型的二维导体散射问题时的差异作出比较，其数值结果进一步证实了Thompson－FDTD方法能精确模拟任意形状目标的电磁散射过程。

基于ADI-FDTD的混合方法及其快速算法

该文介绍了FDTD与ADI-FDTD相结合的方法,提出了减小因两种不同计算方法在边界引起反射的加权平均的方法,并给出了ADI-FDTD计算线性、无耗、各向同性媒质的快速算法。计算结果表明了该方法的有效性。

有效修正ADI-FDTD算法中数值色散的一种方法

针对变换方向隐式(ADI)时域有限差分(FDTD)算法提出了一种改进方法,通过添加各向异性参数来修正相速度误差,从而减少数值色散,提高计算精度。给出了改进后的ADI-FDTD计算公式,并对改进算法的稳定性、色散关系以及各向异性参数的选取进行了研究,数值结果证明了所给方法的有效性。