实变量Compact 2D FDTD法及窗函数分析传输线特性

本文讨论 Compact 2 D FDTD法的复变量差分格式与实变量差分格式之间的关系 ,以及复变量差分格式能够转换为实变量差分格式的情况。用 Blackman窗函数 (BMW)截取 FDTD时域信号 ,然后再作 Fourier变换 ,可以改善频域特性的计算结果 ,提高计算效率。通过微带色散特性的分析 ,表明用实变量 Compact2 D FDTD法与 Blackman窗函数 ,只需要较少的迭代就可以得到比较好的结果。

2D-FDTD法计算波导截止频率的激励源设计

用二维时域有限差分法（２Ｄ－ＦＤＴＤ）计算波导截止频率时，激励源必须与模场匹配．本文以矩形波导为例，分析了面源、线源和点源的激励作用，给出了２Ｄ－ＦＤＴＤ法计算波导截止频率的激励源的设计方法，此法可在一次计算中给出所有低阶模的截止频率．

实变量Compact-2D-FDTD方法与电磁特性中的应用

探讨了电大尺寸目标中电磁波传输特性分析方法问题,提出了实变量Compact-2D-FDTD方法与MPI-Open MP并行FDTD方法,并推导了实变量Compact-2D-FDTD方法基本公式。实验表明,实变量Compact-2D-FDTD方法和MPI-Open MP并行FDTD方法与传统FDTD方法计算结果相吻合,且计算时间明显减少,因此,有效地解决了电大尺寸目标仿真时的计算时间长和内存需求大的问题。

起伏地表下建筑物顶端雷电回击电磁场特性模拟研究

采用时域有限差分(finite-difference time-domain,FDTD)法,分析研究起伏地表下建筑物顶端的雷电回击电磁场特征,给出了锥形山体上的建筑物对雷电回击电磁场的影响,并进一步对真实地形山顶建筑物的雷电回击电磁场的传播特性进行了仿真研究。结果表明:相比于平坦地表,锥形山体的角度和建筑物高度会对雷电回击电磁场产生影响。锥形山体角度越大,垂直电场和水平磁场的峰值越大,且垂直电场峰值呈线性增长,锥形山体引起的电场峰值与平坦地表的电场峰值比为4~8;山顶建筑物的高度越高,垂直电场波形的峰值越大,山顶建筑物高度引起的垂直电场峰值与山顶无建筑物时的垂直电场峰值的比值基本呈对数增长,高度小于100 m时,增幅为100%~150%;随着雷电回击通道与山体之间观测距离的增加,建筑物高度增加引起的垂直电场的峰值先增强再逐渐减弱。以青岛大涧山雷达塔为例的仿真结果表明,建筑物顶端的雷电回击垂直电场的峰值明显大于理想平坦地表的情况,且其峰值增大了3.8倍,但是对水平磁场影响非常小。

Efficient MT-Based Compact FDTD Algorithm for Longitudinally-Magnetized Ferrite-Loaded Waveguides

In this work, a compact finite-difference time-domain (FDTD) algorithm with a memory-reduced technique is proposed for the dispersion analysis of rectangular waveguides either fully or partially loaded with longitudinally-magnetized ferrite. In this algorithm, the divergence theorem is used to eliminate the longitudinal components of the electric and magnetic flux densities. The mobius transform (MT) technique is applied for the first time to obtain the equations relating the magnetic field to the magnetic flux density in a ferrite medium. Some examples are presented to validate the obtained algorithm with numerical results: good agreement is obtained with a significant reduction in the memory space requirement compared to the conventional algorithm.

无人飞艇长导线源时域地空电磁勘探系统及其应用

以无人飞艇作为载体的时域地空电磁探测系统,具有高效、低成本、勘探深度大和空间分辨率高等优点.本文基于二维有限差分方法,分析了长导线源地空电磁响应的特征和变化规律、以及飞行高度的影响;在此基础上,采用32位Cortex-M3内核处理器,以全差分模拟前端压制电磁干扰,实现了24位低噪声多通道海量电磁数据的同步采样及存储,研制了一套可搭载于无人飞艇的时域电磁接收系统,并基于Wi-Fi Mesh无线多跳网络实现了地面远程监控.通过分析飞艇发动机的电磁噪声特点,采用独立分量分析法进行实测数据的噪声去除.研制的地空电磁接收系统使用无人飞艇搭载,在江苏省南通市如东县和内蒙古巴彦宝力格地区进行了电磁探测实验,地空电磁勘探结果与地面瞬变电磁和大地电磁方法进行了对比,证明了地空电磁探测方法的有效性.无人飞艇时域地空电磁探测系统的成功飞行实验,为在我国草原沙漠地区、海陆交互地带、沼泽地带、无人山区等特殊景观地区开展矿产资源、水资源、地质灾害等电磁探测提供了新方法和新思路.

隧道衬砌空洞探地雷达图谱正演模拟研究

探地雷达作为一种高效、先进的无损检测设备,能够对隧道衬砌实施连续扫描,实时获得雷达图谱。然而,由于探地雷达在我国的应用时间还非常短暂以及雷达图谱的复杂性,隧道衬砌空洞探地雷达图谱的辨识还存在一定的问题。据此,通过不同环境的试验得到空洞雷达图谱特征,并利用二维时域有限差分法对衬砌空洞雷达图谱进行正演模拟。采用VC++语言编写探地雷达正演模拟程序,对隧道衬砌检测中常见的几种空洞模型进行正演模拟,得出模拟波形和图谱,并与实测隧道衬砌空洞的探地雷达波形和图谱进行对比。结果表明,模拟图谱与实测结果相似,具有较明显的空洞特征。良好的结果也验证了二维时域有限差分法(2D-FDTD)正演模拟的可行性。

2D-FDTD法计算波导截止频率的激励源设计与取样

在计算波导截止频率时,激励源的设计必须与波导中通过信号的模式相匹配.以矩形波导为例,用二维时域有限差分法(2D-FDTD)提出激励源的优化设计方案与采样点的有效选取问题.

中高层(60-120km)大气电参数非线性效应对地闪回击电磁场传播的影响

基于麦克斯韦方程组,通过综合考虑电子热效应和电离、吸附效应的非线性变化,利用二维时域有限差分算法(2D FDTD),建立了对流层-中高层大气电动力耦合模式,分析了中高层大气电参数的非线性效应对地闪回击电磁场传播的影响。结果表明,对微秒量级的地闪回击辐射场而言,在60 km以下,由于弛豫时间为毫秒量级,不需要考虑电参数的非线性效应。而在60 km以上的空间,由于弛豫时间快速减小至小于微秒量级,必须考虑电参数非线性效应带来的影响。如果考虑中高层大气电参数非线性效应,距地面90 km高度处地闪回击辐射场峰值明显减小,其中,垂直电场受影响最明显,场峰值最大可减小75%左右,而水平电场受影响相对较小。因为垂直电场脉冲持续时间为几百微秒,而水平电场脉冲持续时间仅为几十微秒,电磁场脉冲持续时间越长,受微秒量级中高层大气电介质弛豫时间的影响越大。

二维时域有限差分法对路面雷达的正演模拟

用二维时域有限差分(2D-FDTD)法建立路面雷达的模型。采用实际路面雷达发射波源和Mur的二阶吸收边界条件,对几个典型路面雷达模型进行了正演模拟。通过理论验证实际三层路面结构正演模拟;研究了路面介质的介电常数和电导率对路面雷达反射波的影响,对介电常数及电导率变化的不同情况进行了正演模拟。结果表明路面介质的介电常数大小影响路面雷达反射波的时延,某层介电常数的增大或减小都会引起前一层表面波幅同时增大或者减少,而电导率主要影响除前一层反射波之外的其他结构层界面的反射波波幅,电导率越大,反射波幅越小;同时给出了路面脱空的正演模型模拟解释。

沥青路面剥落的路面雷达电磁波模拟

针对空气耦合式雷达,建立了路面雷达电磁波在沥青路面结构中传播的二维时域有限差分(2D-FDTD)方程,并进行了沥青路面面层中存在沥青剥落病害的路面雷达电磁波模拟。模拟结果表明:当沥青路面出现沥青剥落区域后,在路面雷达回波的面层界面和基层界面的正反射波中间出现一负反射波,沥青剥落位置决定着该负反射波将会出现在面层界面反射波和基层界面反射波之间的位置;并且随着沥青剥落区域的竖向厚度增加,该负反射波波幅增大。为利用路面雷达快速检测路面沥青剥落病害提供了理论基础。

毫米波衍折射透镜系统焦区矢量场快速分析

将快速分析单个二元衍射透镜焦区标量场的射线衍射传播法发展为矢量射线衍射传播追迹法,此方法能快速有效地分析二元衍射透镜及折射透镜组合光学系统的焦区矢量场,获得相应的成像性能。与二维时域有限差分法(2D-FDTD)相比,矢量射线衍射传播追迹法的计算时间显著缩短。矢量射线衍射传播追迹法与2D-FDTD计算结果及实验结果对比验证了其正确性。

液晶-金属光子晶体波导的光学特性

运用时域有限差分方法分析了二维液晶-金属光子晶体波导的光学特性。二维正方晶格金属光子晶体波导位于两个电极之间,其背景介质为液晶。通过在电极上施加不同电压,电场诱导液晶取向以改变液晶的折射指数从而改变光子晶体的带隙结构。数值计算结果表明:通过外界电场控制所填充的向列相液晶的方向可以对这种金属光子晶体波导的光学特性进行调节,该波导可用于制作光子晶体光开关等光学器件。

二维光子晶体带隙的计算方法及研究现状

二维光子晶体制备简单,且在可见光范围内更容易产生带隙,在光通信及新型光子器件设计等方面具有重要应用。但当前研究工作中理论计算对实验制备的指导作用明显不够,因此对二维光子晶体带隙的各种计算方法,如平面波展开法、FDTD法、多极法等进行了评述。发现各种方法各有优缺点,如平面波展开方法应用广泛、概念清晰,但收敛速度慢;时域有限差分法通用性适用性强、节约存储空间,但精确度低。通过评述总结出不同方法的适用范围及发展趋势。

长波量子阱红外光电探测器金属光栅耦合的研究——基于金属表面等离子效应

采用时域有限差分法研究了二维金属光栅量子阱红外探测器的电磁场分布,研究表明充分利用金属表面等离子效应可显著提高量子阱红外探测器光耦合效率.研究还表明,对于8μm长波量子阱红外探测器,金属光栅结构选取圆孔直径与光栅周期比为0.8～0.9是最有益的,此时可获得最大的光耦合效率.

探地雷达二维正演模拟对于不同理论模型的响应研究

本文基于MATLAB,使用时域有限差分方法(FDTD),对探地雷达(GPR)进行二维数值建模。采用横磁(TM)模式建立了地表反射探地雷达模型。在MATLAB环境中,矩阵表示法可以尽可能优化代码并提高运行速度。为了处理模型网格边界的波,实现了完全匹配层(PML)的吸收边界。对不同理论模型响应结果进行分析,讨论了探地雷达在实际应用中的可行性。

二维三角晶格空气孔光子晶体直线型波导的TE波传输特性研究

本文利用了时域有限差分法(FDTD)研究了TE波在二维三角晶格空气孔光子晶体线缺陷形成的直线型波导中的传输特性,给出了在TE极化下缺陷的结构参量变化与波导的频带宽度、波导中心频率的变化关系,为制作二维三角晶格空气孔线缺陷形成的波导提供了理论依据。

回音壁模圆盘谐振腔的光能分布

回音壁模 (WGM )圆盘谐振腔作为一种新的光电探测器在生物病原体的检测方面获得了应用 .光在亚微米尺寸波导耦合的WGM中的传播行为是一个迫切需要了解的问题 .采用时域有限差分法 (FDTD)可以获得WGM的光能分布 .计算结果表明 :存在于WGM圆盘微腔中的微粒的吸收性会引起WGM微腔场强的明显变化 .该结果对实际制作性能优良的光学生物探测器具有指导意义 .

路基下目标体的路面雷达电磁波模拟与分析

为准确分析路基下不同目标体的路面雷达电磁波回波特性,采用二维时域有限差分方法(2D-FDTD),对路基金属及空洞目标体的路面雷达电磁波进行了正演模拟,分析了路基媒质的介电常数、目标体的埋深、形状等对路面雷达反射波的影响.在目标体周围路基介质介电常数为非均匀分布情况下,对该实验正演模拟结果与实测结果进行对比,结果表明,模拟结果与实测结果吻合较好,验证了该正演模拟方法的正确性.

水泥混凝土路面板下脱空的路面雷达电磁波模拟

建立了路面雷达电磁波在水泥混凝土路面结构中传播的二维时域有限差分(2D-FDTD)方程,并针对空气耦合式天线雷达进行了水泥混凝土路面板下存在脱空病害的路面雷达电磁波模拟。进一步分析了水泥混凝土板下脱空出现水充空洞及气充空洞两种情况的路面雷达回波特性,本文的研究对路面雷达技术应用于水泥混凝土路面脱空病害检测实施具有重要的理论参考意义。