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。

ADI-FDTD在二维散射问题中的应用

利用交替隐式时域有限差分 (ADI FDTD)这一新方法计算二维电磁散射问题。研究了ADI FDTD方法的入射波设置、连接边界条件、PML吸收边界和近远场变换等关键技术。与传统FDTD方法相比 ,ADI FDTD的时间步长不受时间步长和空间步长的稳定性条件 (CFL约束条件 )限制。在该方法中 ,可选取较大的时间步长进而提高计算效率。最后还给出了金属和介质柱散射截面的数值算例 ,证实了ADI

一种有效减少ADI-FDTD数值色散的方法

ADI FDTD算法的数值色散效应较为明显 ,本文的研究表明一种通过添加各向异性媒质来修正相速误差 ,从而减少FDTD数值色散的方法 ,同样适用于ADI FDTD ,且收效更为显著。数值运算结果证明该方法能够简单有效地去除较宽频带范围内的色散。

等离子体中的PLCDRC-ADI-FDTD方法

采用分段线性电流密度递归卷积(P iecew ise L inear C u rren t D en sity R ecu rsive C onvo lu tion)方法将交替方向隐式时域有限差分方法(AD I-FDTD)推广应用于色散介质—等离子体中,得到了二维情况下等离子体中的迭代差分公式,为了验证该方法的有效性和可靠性,计算了等离子体涂敷导体圆柱的RC S和非均匀等离子体平板的反射系数,数据仿真结果表明,此算法与传统的FDTD相比,在计算结果吻合的情况下,存储量相当,计算效率更高,时间步长仅仅由计算精度来决定.

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)。

周期结构三维ADI-FDTD算法的UPML边界条件

为实现交变隐式时域有限差分法在周期结构电磁散射特性分析中应用,基于常规FDTD(finite-dif-ference time-domain)中的UPML(uniaxial perfectly matched layer)吸收边界条件,导出了适用于周期结构三维ADI(alternating-direction implicit)-FDTD算法的UPML迭代计算式,并对其特有的一类非三对角系数矩阵提出了解决方案。数值算例表明,在时间步长是常规FDTD时间步长的6倍时,匹配层反射误差仅-30 dB。同时,应用UPML的ADI-FDTD仍然能够保持无条件稳定,并有足够的计算精度和更高的计算效率。但受数值色散误差的影响,CFL(courant-friedrich-levy)条件数一般宜小于8。

Er与Yb共掺波导放大器的ADI-FDTD数值模拟

提出了一种新的简单的数值计算方法模拟Er与Yb共掺磷酸盐玻璃波导放大器(EYCDWA)的增益特性.该方法是基于交变隐式差分方向的时域有限差分法(ADI FDTD)的迭代方法,用ADI FDTD计算波导中的光场强度分布,用迭代法研究光波的传输方程.数值结果表明,增加光波导长度和提高Er3+浓度是提高EYCD WA增益的两种重要途径,Yb3+起能量传递的作用,Er Yb的比率取1～4较好.

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.

一种适用于ADI-FDTD法的非分裂式完全匹配层

基于FDTD法中场量D-H(电位移矢量-磁场强度)迭代公式,导出了适用于AD I-FDTD法的场量非分裂式完全匹配层(PML)的实现方案,与现有的其它AD I-FDTD法的PML技术相比,具有物理概念清晰、易于操作并节省计算机资源的优点。数值结果证明:该PML技术能有效地解决吸收边界的问题,为AD I-FDTD法的发展与推广应用提供了条件。

色散媒质中采用Z变换的ADI-FDTD方法

基于Z变换方法将AD I-FDTD推广应用于色散媒质,得到了二维情况下色散媒质中的迭代差分公式,同时给出了一种采用IIR滤波器结构来减少存储量的方法。本文方法适合于任意M阶色散媒质,最后,给出了一个算例,数据仿真结果表明,本文的算法与传统色散媒质中的FDTD相比,在计算结果吻合的情况下,存储量相当,计算效率却更高,时间步长仅仅由计算精度来决定。

高阶ADI-FDTD算法的数值色散分析

该文给出高阶交替方向隐时域优先差分(ADI-FDTID)算法,即在ADI-FDTD迭代公式的基础上对时间的差分仍然采用二阶中心差分格式,而对空间的差分则采用四阶中心差分格式,并解析地证明了所给出的高阶ADI-FDTD算法仍然满足无条件稳定方程,同时对增长因子相位的分析,得到数值色散关系,最后对其数值色散误差进行了分析,研究表明与普通ADI-FDTD相比,其色散误差较小。

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.

ADI-FDTD+GRT在波导电路分析中的应用

本文研究时域有限差分法(FDTD)的一种新的时空压缩技术,并应用于波导电路的分析.首先分析了软激励条件下的改进的几何重置技术(GRT),研究了合理选择源面与参考面的放置位置,使GRT不仅减小了吸收边界对计算结果的影响,而且节省了计算空间,还可以精确得到全部散射参量.另外阐述了与交替方向隐式时域有限差分法(ADI-FDTD)相结合,使计算空间和时间同时被压缩,达到节省计算资源的目的.为了衡量ADI-FDTD+GRT算法的计算精度和效率,分析了包含不连续结构的波导作为算例,将其数值计算结果分别与传统FDTD和HFSS作比较,并将端面和参考面不同间距的ADI-FDTD+GRT与传统ADI-FDTD在仿真结果和资源占用方面进行对比,结果表明本文算法是精确和高效的.

色散媒质中ADI-FDTD的PML

基于交替方向隐式(ADI)技术的时域有限差分法(FDTD)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,而是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。该文采用递归卷积(RC)方法导出了二维情况下色散媒质中ADI-FDTD的完全匹配层(PML) 公式。应用推导公式计算了色散土壤中目标的散射,并与色散媒质中FDTD结果对比,在大量减少计算时间的情况下,两者结果符合较好。

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。

适用于ADI-FDTD的基于线性插值的吸收边界条件及其改进方法(英文)

基于线性插值的方法提出了一种适用于交替方向隐式时域有限差分法(ADI-FDTD)的吸收边界条件,该边界条件能够在ADI-FDTD方法中改善边界反射性能.首先,对由截断误差和相速估计误差引起的此吸收边界条件的反射进行了分析和推导.通过理论分析,说明了基于相速估计和非均匀网格的对此吸收边界改进方法能够改善边界条件的反射特性.然后进行了矩形波导情况下该吸收边界条件的数值仿真.最后给出了数值仿真结果,并通过对有无相速估计下吸收边界条件反射系数比较、对均匀和非均匀网格处理下吸收边界条件反射系数的比较,以及对在不同时间步长下吸收边界条件反射系数变化的分析,说明了该吸收边界条件及其改进方法对ADI-FDTD方法中的边界反射性能有很好的改善效果.

三维柱坐标ADI-FDTD算法及其CPML实现

提出一种三维柱坐标交互隐式方向(ADI)时域有限差分算法(FDTD)及其卷积完全匹配层(CPML)的实现方案。首先,为了简化公式的冗繁和编程的需要,将传统三维柱坐标时域有限差分算法转换成矩阵表达式的形式。其次,以矩阵变换的方式提出三维柱坐标系下ADI-FDTD算法的矩阵表达式。最后,将匹配层的影响参数以辅助变量的方式添加至该算法中,从而完成本文算法的CPML实现。算例证明本文算法在时域和频域均有较好的效率和精度,并且具有良好的CPML吸收效果,其反射系数可达-63^-70 dB。

关于二维ADI-FDTD方法的数值色散分析

分析比较了目前关于交替方向隐式时域有限差分法(ADI-FDTD)数值色散关系研究的几种理论,指出了其中存在的一些不足。介绍了一种相对合理的数值色散关系式,并利用牛顿迭代法对其进行全面的分析,得出了相关的结论。

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。

3D ADI-FDTD算法在分析微结构时的数值色散

利用三维无条件稳定交替方向隐式有限差分(ADI-FDTD)算法分析射频微机电器件时,为了保证仿真精度和提高计算效率,需要掌握微尺度条件下算法的数值色散特性。利用算法增长矩阵,讨论了多种因素对算法数值色散特性的影响。给出了分析微结构电磁特性时各参数的基本选取原则:空间导数取二阶差分;网格划分的深宽比小于50;取扫描频段内的中高频率点作为计算空间抽样率的参考点;ADI-FDTD算法的时间步长极限为T/2,时间步长的选择应满足时间抽样率与空间抽样率之比小于1。