水下复杂目标在空间中低频散射场的TSS-FDTD分析

[目的]随着人类对海洋资源的逐步开发,海面下运行的航行器数量激增,由此带来的对航行器等水下复杂目标的电磁探测问题亟待解决。[方法]基于总场-散射场源时域有限差分方法(TSS-FDTD)和海面上下表面的场值转换算法,分析水下天线阵列源照射水下航行器目标产生散射场的空间分布规律。通过计算得到水下天线阵列与复杂目标附近区域的场分布、整个水下空间的场分布和海面上方的场分布,并将目标与源在不同相对位置的3组模型在空间中的散射场进行对比分析。[结果]结果表明:在海水内部环境中,不同目标模型的散射场差异较大,通过观测该散射场可确定目标的存在;而在海面上空,不同目标模型的散射场差异较小,通过观测其散射场均值和能量分布情况也能确定目标是否存在。[结论]研究结果可为相似工作频段的探测雷达提供数值参考,为水下航行器探测、水下救援、打捞沉船等工程领域提供技术支撑。

导弹目标的FDTD建模与RCS计算

导弹弹头对后向散射有明显的影响。FDTD建模时 ,为了更精确的模拟弹头的外形轮廓 ,采有超椭球(Superspheriod)几何体来模拟导弹弹头的雷达罩。通过调整超椭球体方程中ν因子值的大小能够得到不同形状弹头的外形轮廓 ,其中当ν取 1 381时可近似为传统的VonKarman雷达罩。该超椭球方程推导简单且能够模拟大多数传统雷达罩的形状。最后 ,给出了用FDTD方法计算两种导弹弹头模型的后向散射和侧向散射。结果表明 ,采用一定参数下的超椭球几何体弹头比球冠状弹头有效的减小后面RCS。

三维电磁散射的网络并行FDTD计算和加速比分析

应用计算机局域网 ,采用基于消息传递PVM平台和区域分解技术 ,实现了三维电磁散射的并行FDTD计算。给出了在FDTD两个相邻子区域交界面上所需要传递数据量的估算和分析。在一个实际的计算机局域网环境下 ,测试了网络并行FDTD计算三维机翼目标散射时的并行加速比和并行效率。实际上 ,并行加速比和效率不仅与局域网的硬件性能有关 ,而且与子区域的划分和PVM通信原语的使用等软件设计有关。最后 ,讨论并行计算中的附加通信量、网络通信性能和负载平衡对FDTD并行计算的影响。

分析水下目标的大比例变换总场散射场源FDTD方法

为解决探测水下目标的电磁散射问题,提出大比例变换的总场-散射场源时域有限差分(FDTD)方法.该方法包含两次FDTD计算:第一次计算采用细网格得到激励源周围的近场值;第二次计算采用粗网格得到远距离的电磁场值.两次FDTD计算通过总场-散射场边界建立联系.实现细粗网格的大比例变换,例如变换比例N=10,大大节省了计算时间,降低了计算内存的消耗,提高了计算效率.通过算例验证该方法的正确性和有效性.最后,计算水下岩层中存在异常体时的电磁响应,指出当岩层中异常体电导率不同时,接收点处电磁场的幅值和相位均不相同.

复杂目标对柱面波散射的二维ADI-FDTD方法

为了处理柱面波照射复杂目标的散射问题,给出了二维ADI FDTD方法中加入柱面波(线源)的详细计算公式.这种加源方式的特点是两个子时间步上都存在线电流源的激励.作为验证,应用文中方法计算了线电流照射金属圆柱的辐射方向图,与级数解结果一致,给出了线电流照射复杂目标二维机翼的辐射方向图,与常规FDTD计算结果吻合得很好,表明此种方法的正确性,计算中时间步的取值突破了Courant稳定性条件的限制.

总场-散射场方法在二维ADI-FDTD中的实现

提出了一种新的交替方向隐式时域有限差分激励源加入的总场-散射场方法.在总场边界附近,二维TM波的电磁场格点在每个子时间步都需要加入入射波的相应分量.根据交替方向隐式时域有限差分迭代公式及格点在总场边界的具体位置共有14种情况需要修正,其中电场格点有10种情况.该方法继承了常规时域有限差分加源的特点,而且保持了交替方向隐式时域有限差分求解线性方程组的形式不变.在入射波为平面波时,计算表明,当计算时间步长为Courant-Friedrich-Levy稳定性条件所限制时间步长的5倍时,总场区的入射波仍具有很好的场量等值线.利用该方法给出的金属方柱和前端有介质涂层的复杂目标金属机翼散射的数值计算结果验证了其有效性.

分析周期结构的Crank-Nicolson FDTD方法

常规FDTD方法的最大时间步长受最小离散网格的限制,需要满足CFL(courant-friedrich-levy)稳定性条件。一维Crank-Nicolson FDTD方法采用隐式差分格式,突破了稳定性条件的限制,是求解PBG(photonicband-gap)这类周期性结构目标的有效方法之一。讨论了一维Crank-Nicolson FDTD方法中总场边界的设置,引入总场边界后便于提取周期性结构的反射系数。应用该方法分析了一种周期性结构的反射特性,与用传播矩阵方法所得结果一致。算例也表明了当时间步长取为常规FDTD时间步长100倍时,该算法仍然是无条件稳定的。

分析周期性结构的Crank-Nicolson FDTD方法

提出了采用隐式差分格式的一维Crank-Nicolson FDTD方法,该方法突破了CFL(Courant-Friedrich-Levy)稳定性条件的限制,是求解类PBG(photonic bandgap)周期性结构目标的有效方法之一.讨论了一维Crank-Nicolson FDTD方法中总场边界的设置,引入总场边界后有利于提取周期性结构的反射系数.应用该方法分析了一种周期性结构的反射特性,与用传播矩阵方法所得结果一致,并且在时间步长上突破了稳定性条件的限制,节约了计算时间.

电各向异性介质FDTD并行算法的研究

基于消息传递模式的网络并行计算系统和区域分割技术成功地实现了电各向异性介质FDTD并行算法,并用此程序代码计算了电大目标的RCS。经测试,该程序代码并行效率达到87%。根据电各向异性介质FDTD迭代式,电场某一节点的计算,需牵涉到其周围28个节点的电磁场值,详细分析了该情况下并行算法中的数据通讯规律,并实现了局域网内各节点机的协同并行计算。数值结果表明了该算法和程序的正确性及优越性。

FDTD并行算法研究:电和磁本构参数均为各向异性情形

研究并实现了三维电与磁本构参数均为各向异性介质时的时域有限差分(ANI-FDTD)并行算法.根据电磁各向异性介质时域有限差分(ANI-FDTD)迭代式,电场和磁场某一节点场值的计算均涉及到其周围邻近28个场分量节点值.详细分析了该情况下各向异性介质时域有限差分(ANI-FDTD)并行算法中的数据通讯规律.通过采用相邻子域重叠半个网格的区域划分方式,传递分界面两边相关节点的场值,实现了局域网内各节点机的协同并行计算.数值计算结果表明了该算法和程序的正确性.

考虑多次散射的复杂目标一体化电磁散射计算

在复杂目标电磁散射计算中,表面散射、棱边散射以及凹形结构的多次散射是最为重要的几种散射贡献。研究了包含表面散射、棱边散射和凹形结构多次散射的复杂目标一体化电磁散射计算方法,开发了基于UG建模软件的一体化电磁散射计算软件,其中表面散射计算采用了图形电磁计算方法,棱边散射算法采用ILDC,并使用UG/Open实现了复杂目标棱边自动识别,对于包含多次散射的腔体等凹形结构,开发了基于NURBS曲面的射线追踪方法和SBR算法,实现了腔体结构多次散射计算。所有算法都统一在UG建模软件中开发,实现了从目标几何建模到散射计算的一体化,简化了模型前处理过程。算例表明,所开发的一体化散射计算软件计算精度高,通用性强,具有很好的工程应用价值。

FDTD应用于各向异性介质及半空间散射问题

介绍FDTD方法应用于各向异性介质散射分析及其并行计算.基于并矢表面阻抗给出金属表面各向异性介质涂层的等效介质参数公式.讨论铁氧体基片偏置磁场对微带天线辐射方向图的影响,模拟研究了板状各向异性材料介质参数的反演途径.将半空间FDTD应用于金属平板上孔缝散射计算和光学材料表面微缺陷散射近场和散射振幅分析,以及介质光栅Floquet模和传输功率的计算.

利用平板样品反演各向异性介质的本构参数

将电各向异性介质沿3个正交的方向切割成尺寸相同的3块平板,利用介质板后向同极化RCS的谐振特性反演其介电系数张量对角线元素。结合FDTD方法和二分法利用介质板交叉极化后向RCS的特点反演介电系数张量非对角线元素。数值模拟结果表明了本文方法的可行性。

电各向异性介质FDTD并行算法的实现

在各向同性介质的FDTD并行算法的基础上,分析了电各向异性介质FDTD方法并行计算时的区域分割方案及子域间的数据通信问题,实现了电各向异性介质的FDTD并行算法.数值结果表明了该算法和程序的正确性.

海水包裹空心椭球体的低频散射场计算及分析

为了分析水下金属壳体目标的散射场,提出了一种基于移位算子时域有限差分方法的加速计算方法.利用该方法对海水、空气和金属三种媒质材料进行了建模,并计算了水下金属椭球状壳体目标低频散射场的空间分布和起伏海面对低频电磁波传播的影响.通过数值算例测试了所提方法的加速性能,可以得到接近线性的加速比和95%以上的加速效率.计算结果表明,海面会影响水下壳体目标散射场的空间分布,特别是对于电场的空间分布影响比较大,并且由于水下电导率的存在导致海面上方散射场的传播速度要比海面下方的快.

二元喇叭天线阵列的互耦研究

通过同轴线给天线馈电的方式,采用细导线 FDTD 方法模拟同轴线,研究了同轴传输线口径处内、外场之间的耦合,并分析了二元 TEM 喇叭天线阵的耦合问题,通过对单一喇叭进行馈电计算了天线阵单元的自阻抗和互阻抗。结果表明。在所考虑的频段内自阻抗和互阻抗不随频率的变化而变化,具有很好的宽带性能。

周期性分层介质高反射区范围的分析与估计

对于具有周期单元的分层介质材料高反射区的波长范围,提供一种简明的估计分析方法.基于Floquet定理,分析了有限周期单元分层介质的光子带隙特性,给出分层介质的高反射区波长范围.讨论了分层介质高反射区和周期单元禁带之间的关系.计算表明,高反射区和周期单元禁带的中心波长彼此一致.并且,随着分层介质周期单元数的增多,高反射区的深度和带宽就越接近于周期单元禁带的深度和宽度.最后,讨论周期分层介质的光子带隙特性与入射角及其与极化的变化关系.

复合左右手技术的二元阵天线的计算及测量

为了克服微带天线的横向尺寸需要满足半个波长的限制,本文提出了一种基于复合左右手传输线技术的二元阵天线.该天线阵由结构相同的两个天线阵单元构成天线阵单元由3个辐射片、辐射片之间的交指电容和导通辐射片和接地板的短路针组成.辐射片、短路针、天线阵的基片和接地板构成了复合左右手传输线结构.天线阵单元之间通过弓形连接线连接,通过调节弓形连接线两个端口到馈源之间的距离来调节天线阵单元之间的初始相位差.在关心频段内,数值计算得到的二元阵天线的S参数与实际测量结果符合得很好,并且零阶谐振频率与用等效电路理论得到的谐振频率相一致.通过测量得到该二元阵天线的峰值增益达到6.3dB,提高了天线的增益.二元阵天线工作在零阶谐振频时,天线阵单元的物理尺寸约为0.28λ0×0.1λ0,其中λ0为零阶谐振波长.本文为天线的小尺寸化指出了新的途径.