随机小介质球散射的稀疏矩阵/规则网格法分析

利用张量电场积分方程和稀疏矩阵/规则网格 (SMCG)法分析了随机分布小介质球的散射问题 .SMCG法根据离散单元间场作用的强弱 ,将阻抗元素分解为强作用的稀疏矩阵和弱作用的补充矩阵 .在共轭梯度法迭代求解矩阵方程时 ,直接计算强作用稀疏阵与待求向量的乘积 ;而对弱作用的补充矩阵 ,则将阻抗元素在规则网格上应用Taylor级数展开 ,由于级数项中存在平移不变性的核 ,因而可利用快速傅里叶变换实现补充矩阵与待求向量的乘积 .实验算例表明 :SMCG法和矩量法的数值曲线吻合性很好 ,在分析电大目标散射时减少了计算机内存和CPU时间要求 。

非对称稀疏线性方程组的快速外存解法及其在无网格法计算中的应用

针对局部Petrov_Galerkin无网格法(MLPG)等无网格方法的计算所产生的大型非对称稀疏线性方程组,介绍了一种新的直接解法.与一般非对称求解过程不同,该解法从现有的对称正定解法中演变出来,其分解过程在矩阵的上、下三角阵中对称进行.新的矩阵分解算法可以通过修改对称矩阵分解算法的代码来实现,这提供了从对称解法到非对称解法的快捷转换.还针对MLGP法以及有限元法所产生的方程组开发了多块外存算法(multi_blocked out_of_core strategy)来扩大求解规模.测试结果证明该方法大幅度提高了大型非对称稀疏线性方程组的求解速度.

几何非线性问题的无网格法分析

用局部PetrovGalerkin方法求解几何非线性问题,这是一种真正的无网格方法。这种方法采用移动最小二乘近似函数作为试函数;只包含中心在所考虑点处的规则局部区域上以及局部边界上的积分;所得系统矩阵是一个带状稀疏矩阵。该方法可以容易推广到求解非线性问题以及非均匀介质力学问题。在涉及几何非线性问题的数值方法中,通常都采用增量和迭代分析的方法。本文从虚功原理出发,用移动最小二乘近似函数的权函数替代虚位移,并在整个分析过程中所有变量的表达格式都是采用全拉格朗日格式。数值算例表明,无网格局部PetrovGalerkin方法在求解几何非线性问题时仍具有很好的精度。

无网格法计算中一种新的积分点搜索算法

无网格法计算中常采用背景网格积分法进行数值积分,需判断积分点与分析域的关系,当工程问题域边界较复杂时,虽可采用常用的射线法判断积分点与分析域的关系,但当分析域边界线段处于同一直线时,算法的复杂性大大增加,使其效率不高。为此,提出采用矩阵法判断积分点与分析域的关系,在此基础上,为加快搜索速度,提出并建立一种新的数据结构——稀疏矩阵,该矩阵中的元素记录各节点的信息,包括节点与其相邻节点的距离、节点编号和节点影响域尺寸等,通过稀疏矩阵可快速计算矩阵的行列式,从而给出一种积分点搜索速度更快的算法。算例表明,该算法大大加快积分点的搜索速度,提高无网格法的计算效率。

板材成形无网格法模拟中的接触搜索处理

为提高板材冲压成形无网格法数值计算的效率,实现接触搜索并加快搜索速度,提出采用矩阵法处理接触搜索,并构造稀疏"矩阵"记录各节点信息,接触搜索时利用该信息可快速找到从节点影响域内的节点,并利用这些节点构造规模减小的矩阵,可加快矩阵行列式的计算,达到快速且精确地处理接触搜索的目的.数值算例表明,采用矩阵法处理接触搜索是合适的.

稀疏矩阵规范网格结合物理双网格分析介质海面散射特性与试验验证

采用传统数值方法计算介质粗糙海面后向电磁散射时,波束照射面积随擦地角减小急剧增大,需要消耗大量的内存和计算时间。稀疏矩阵规范网格法用快速傅里叶变换计算远区相互作用,极大地提高了计算速度,同时基于物理的双网格法,依据格林函数在介质和自由空间中随作用距离的衰减特性,采用不同分区的网格划分技术,有效减少了介质粗糙面计算所需的内存量。该文基于Monte-Carlo方法产生不同海情PM谱海面,将上述两种方法结合,数值研究了S和Ku波段后向散射特性随擦地角的变化,并与造波池海面后向电磁散射试验进行对比。试验采用连续波扫频方法测量了造波池模拟的中低海情和缩比高海情1维PM谱海面后向散射系数。计算结果与测量数据相吻合,证明了方法具有较高的效率和可行性。结果分析表明,不同海情下海表面相关长度和散射特性存在明显差异。

板材成形无网格再生核质子法模拟中的接触处理

无网格法不依赖节点,且其形函数具有高阶连续性和非插值性。对板材成形数值模拟,无网格法比有限元法更具优势。接触处理是板材成形无网格数值模拟中的关键问题。构造稀疏"矩阵"加快接触搜索,重构再生核质子法(Reproducing kernel particle method,RKPM)形函数,并使之具有插值性,在此基础上建立材料形函数,精确施加板材成形中的本征边界条件,采用接触力计算模型导出节点接触力无网格表达式,可准确处理板材成形无网格法模拟中的接触问题。数值算例表明接触处理法是可靠的。

三维目标与粗糙面复合散射的广义稀疏矩阵平面迭代及规范网格算法

提出了快速计算二维导体粗糙面与面上金属目标复合散射的广义稀疏矩阵平面迭代及规范网格法(G-SMFSIA/CAG).推导了二维导体粗糙面与面上目标相互作用的耦合积分方程,用稀疏矩阵平面迭代及规范网格法(SMFSIA/CAG)求解粗糙面部分的表面积分方程,而用基于RWG基函数的矩量法(MOM)计算目标部分的表面积分方程,并通过更新方程的激励项迭代求解目标与粗糙面的相互耦合作用.结合Monte-Carlo方法产生具有PM(Pierson-Moskowitz)海浪谱的随机海洋粗糙面,数值分析了海面上不同形状导体目标的复合双站散射系数,验证了算法的有效性与收敛性.最后,计算了海面上舰船目标的双站散射系数,并讨论了不同风速海面对散射系数的影响.

不同土壤类型的粗糙地面电磁散射特性及布儒斯特效应研究

土壤表面散射特性对大地遥感等问题有着重要应用,地面对雷达波束的镜面反射是造成镜像干扰的主要原因,利用粗糙地面的布儒斯特效应将有效削弱镜面反射。采用四成分土壤介电模型计算不同类型土壤的介电常数,以二维高斯粗糙面模拟实际地面,引入锥形入射波来克服粗糙面的边缘衍射;应用基于物理意义的双网格法(PBTG)结合稀疏矩阵规范网格法(SMCG)计算分析土壤类型和湿度对地面散射特性的影响,进一步探究了粗糙地面布儒斯特效应随土壤类型、湿度及入射波频率等的变化关系。分析表明:土壤类型和湿度等因素对地面散射特性及布儒斯特效应均会产生不同程度的影响。研究成果对于不同土壤类型的地面环境遥感探测以及削弱镜像干扰提供了理论支撑。

不同类型土壤地面与其上方目标散射特性研究

针对超低空目标与地面复合电磁散射的问题,以某型巡航导弹作为超低空目标的典型代表,研究了不同类型土壤地面与其上方巡航导弹的散射特性。在考虑不同类型土壤组成成分的基础上,采用四成分土壤介电模型计算其介电常数,分析了土壤介电常数与土壤类型和土壤湿度的关系;以二维高斯粗糙面模拟地面环境,引入锥形入射波克服粗糙面的边缘衍射,应用基于物理意义的双网格法(Physics Based Two Grid,PBTG)结合稀疏矩阵规范网格法(Sparse Matrix Canonical Grid,SMCG)仿真分析了土壤类型、入射波频率与极化等因素对地面环境电磁散射特性的影响;基于目标与环境的复合表面积分方程,研究了不同类型土壤地面与巡航导弹的复合散射特性。分析表明:巡航导弹与粗糙面相互作用,使三种类型土壤地面的散射系数均有所增大。研究成果为不同类型土壤地面环境遥感探测及其上方超低空目标的探测提供了理论参考。

三类新型随机粗糙面模型的快速散射特性分析

基于表面粗糙度对雷达目标电磁散射特性的影响,为真实地模拟实际自然场境,提出了三类粗糙环境中表面粗糙度不同的新型分区域复合随机粗糙面模型.采用在同一粗糙面上使用不同均方根高度和相关长度的方法进行建模,替代了传统的单一谱函数模型.应用稀疏矩阵平面迭代/规范网格法快速计算了此三类新型随机粗糙面模型的电磁散射特性,重点分析了不同表面粗糙度模型对于环境电磁散射特性的影响,为研究、分析和探测符合实际自然环境的地形、地貌提供了理论依据.

基于二维粗糙面模型的大地土壤表面散射特性研究

建立二维粗糙面模型研究了大地土壤表面对高频超视距雷达电磁波的散射特性。采用半经验公式计算了HF频段给定频率下土壤媒质在不同温度、湿度时的有效相对介电常数,并与微波频段下情形进行对比。采用Monte Carlo法结合高斯谱函数生成二维粗糙面模拟真实大地土壤表面,建立了土壤表面积分方程,采用锥形波入射消除人为截断粗糙面带来的边缘衍射,采用基于物理意义的双网格法(Physics Based Two Grid,PBTG)结合稀疏网格迭代法(Sparse Matrix Canonical Grid,SMCG)求解土壤表面的双站散射系数。研究了不同温度和湿度条件下,大地土壤表面对高频超视距雷达电磁波的散射特性。研究结果为高频超视距雷达遥感探测提供了理论参考。

分析三维随机介质目标散射问题的SMCG方法

应用稀疏矩阵规则网格 (sparsematrixcanonicalgrid ,SMCG)法分析了三维随机介质目标的电磁散射问题 .用矩量法求解介质散射体的体积分方程时 ,根据散射体离散单元间场相互作用的强弱 ,将阻抗矩阵分解为近区强相互作用的稀疏矩阵和远区弱相互作用的补充矩阵 .在用共轭梯度法迭代求解矩阵方程时 ,将格林函数在规则网格点上进行泰勒级数展开 ,进而可利用快速傅里叶变换计算弱相互作用矩阵与待求向量的乘积 ,而强相互作用矩阵与待求向量的乘积可以直接计算 .文中对几种不同情况的随机介质目标的远区散射场进行了计算 ,结果表明SMCG法的计算结果与满阵矩量法的计算结果吻合良好 。

SMFSIA/CAG快速计算二维分形粗糙面的电磁散射特性

应用稀疏矩阵平面迭代/规范网格法(sparse-matrix flat-surface iterative approach and canonical grid method,SMFSIA/CAG)快速计算了二维分形粗糙面的电磁散射特性。在SMFSIA/CAG中,基于迭代法的原理,通过加快迭代收敛速度和加速矩阵向量积两个方面对该算法进行了改进,推导了关于平面展开的高阶泰勒级数展开公式,并对近场相关距离和泰勒级数展开阶数对算法效率的影响进行了分析。SMFSIA/CAG的应用降低了计算量,实现了对二维分形粗糙面电磁散射特性快速、准确地仿真计算。

二维海面上方金属目标复合散射快速算法研究

为快速获取二维海面上方金属目标的复合散射,通过改进计算分层粗糙面散射的层内波传播展开法(PILE),结合快速计算二维粗糙面散射的稀疏矩阵平面迭代与规范网格法(SMFIA/CAG),以及计算金属目标散射的基于三角屋顶(RWG)基函数的矩量法(MoM),提出了结合稀疏矩阵平面迭代及规范网格法的扩展层内波传播展开法(E-PILE+SMFIA/CAG)。引入锥形入射波以减小人为截断粗糙面所引起的边缘衍射,采用蒙特卡洛(Monte-Carlo)模拟生成具有Pierson-Moskowitz(PM)海浪谱的随机海洋粗糙面。数值分析了海面上方典型导体目标的复合双站散射系数,验证了算法的有效性与收敛性。最后,应用该算法计算了海面上方导弹目标的电磁散射,讨论了目标高度及海面上风速对复合散射系数的影响。

计算粗糙地面下方埋藏目标复合散射的E-PILE+BMIA/CAG算法

为快速获取电大尺寸随机粗糙面下方埋藏目标的电磁散射特性,基于层内波传播展开法(propaga-tion-inside-layer expansion,PILE)和带状矩阵迭代及规范网格法(banded matrix iterative approach canonical grid,BMIA/CAG),提出了结合带状矩阵迭代及规范网格法的扩展层内波传播展开法(E--PILE+BMIA/CAG)。数值计算过程中,以高斯随机粗糙面模拟实际地表面,并引入锥形入射波以减小人为截断粗糙面所引起的计算误差。为验证算法的有效性和收敛性,计算了一维介质粗糙面下方埋藏无限长二维介质圆柱目标的散射特性,研究了目标与粗糙面之间的相互作用,并与已有算法结果进行比较。最后计算了大入射角情况时地面下方埋藏目标的复合散射特性。该研究成果对于目标探测等领域具有一定的理论指导价值。

随机分布目标散射特性的预处理SMCG法分析

稀疏矩阵规则网格(SMCG)法,是一种有效的电磁场数值计算方法。为了进一步提高SMCG方法的计算效率,文章提出了两种预处理SMCG方法,并应用这两种方法对随机分布三维介质多目标的电磁散射特性进行了分析。数值计算表明,该方法是快速、有效的。

基于BMIA\CAG快速算法的粗糙面散射特性计算

为提高用点匹配矩量法计算粗糙面掠入射等散射问题的速度,提出了一种带状矩阵迭代规范网格法(BMIA\CAG),给出了带状矩阵迭代算法和规范网格法的计算模型。算例表明:BMIA\CAG可明显加快计算速度,矩阵维数越大,效果就越明显。另分析了带状矩阵带宽对算法的影响,以及掠入射时的分形粗糙面的散射系数。

基于数值方法的三维激光海面漫反射特性研究

为提高卫星海色遥感技术在实际应用中的效率,对不同海况下不同入射角度的三维激光海面漫反射特性进行了建模仿真计算,并在实验室条件下对激光入射波动水面后产生的散射场能量分布特性进行了研究。根据麦克斯韦尔方程和边界条件分析了散射场在各向分量间的耦合关系,矢量分解后得到了6个标量方程并用矩量法进行离散,给出了离散后的矩阵方程。用稀疏矩阵规则网格法(SMCG)求解矩阵方程,求解时采用共轭梯度法(CGM)计算。在对有限照射区域进行计算时,为减少边界效应产生的误差,用能量强度服从高斯分布的三维锥形波模拟入射激光束。仿真计算了不同粗糙度海面的三维双站散射系数,结果发现:对相同粗糙度海面模型,入射角度越小,粗糙面对激光的漫反射就越大,散射场的能量分布也越均匀。用实验对仿真结果进行验证,结果表明:与基尔霍夫近似(KA)和二维前后向迭代法(FBM)相比,该方法能准确表示波动水面的三维激光漫反射特性,为进一步研究三维激光海面漫反射特性奠定了基础。

高频段掠海目标的电磁散射特性研究

针对掠海目标的低探测性问题,以蒙特卡洛法生成的PM(Pierson-Moskowitz)海洋谱粗糙面模拟真实海面,为消除人为截断粗糙面引起的边缘衍射,引入三维锥形波,结合稀疏矩阵平面迭代及规范网格法(SMFIA/CAG)与矩量法(MOM)求解目标与粗糙面的迭代积分方程。计算分析了掠海巡航导弹在高频段(HF)下的电磁散射特性,结果表明根据不同入射方向,采用相应的极化方式才能获得最佳探测效果。这对利用天波超视距雷达对抗超低空目标具有一定的参考价值。