脊形波导缝隙天线的共形FDTD分析

采用一种改进的局部网格共形时域有限差分法(FDTD)对脊形波导宽边缝隙天线进行数值分析,该方法部分修改磁场的迭代方程,提高了计算精度。给出了计算所得到的波导缝隙天线阵单元的回波损耗参数(S11)和方向图,通过与实验结果相比较,两者吻合得较好,从而证明了该分析模型和计算方法的正确性与有效性。     

时域有限差分法的一种新的吸收边界条件

本文首次把数字信号处理的窗函数引入时域有限差分法(FDTD),提出了FDTD法的一种新的吸收边界条件。数值结果表明:这种吸收边界条件能有效地减少电磁波在边界处的反射,提高分析精度,具有应用价值。     

声散射计算中的参数关联时域有限差分法

利用理想流体介质中小振幅声场是无旋场的特性,得到各振速分量之间的新的差分表达式,提出参数关联时域有限差分法(the Parameter Relevancy Finite-Difiefence Time-Domain:PR-FDTD).它不改变标准FDTD方法的时空离散和场分量配置方式,而是利用参数之间的新关系,通过特定的空间递推顺序,把所须存储的声场分量减少,最多可节省约33%的内存.以二维圆柱体和方柱体为例进行仿真计算,结果表明:PR-FDTD在节省内存的同时,计算精度与标准FDTD方法相当.     

用FDTD方法计算二维各向异性涂层目标的RCS

给出了计算二维情况各向异性介质物体散射的时域有限差分 (finitedifferencetimedomain ,FDTD)方法公式 ,讨论了编程时应注意的问题。用FDTD方法计算了各向异性有耗介质涂层目标的雷达散射截面 (radarcossse tion ,RCS) ,说明这种介质涂层能够缩减金属目标的RCS。     

基于CPU-GPU异构机群的FDTD并行算法加速研究

时域有限差分法(FDTD)求解电磁学中麦克斯韦方程组是科学与工程计算中一个非常重要的算法.通过对FDTD求解麦克斯韦旋度方程的直接时间域的分析,给出其基于多个GPU组成异构机群系统上的并行加运算法,用OpenCL、CUDA和MPI编程模型实现了并行程序.在目前的主流NVIDIA和ATI的GPU平台上,加速的并行FDTD程序相对CPU串行程序和8个CPU核的MPI并行程序,分别获得了超过8倍和1.5倍的加速,并在多个GPU卡上获得了接近线性加速的扩展性能.     

小波技术在时域有限差分法中的应用

在时域有限差分法(FDTD)中利用小波变换技术进行数据压缩,提高了计算效率,同时节省计算存储空间。利用小波分解对惠更斯表面的时域切向场分布进行分解,存储经过阈值量化后的小波系数达到压缩编码的目的。在FDTD近场计算结束后,利用小波重构所得到的惠更斯表面的时域切向场分布进行近—远场变换计算散射场。结合小波变换的FDTD法计算缝隙金属平板的散射场的数值实验结果说明该方法的有效性。     

矢量波动方程的直接差分解法

对电磁场波动方程进行了分析,研究了一种基于电场波动方程的时域数值方法———矢量波动方程的直接差分解法,给出了电场和磁场的计算公式。采用线性插值方法获得了导体表面法向电场的计算公式,给出了算法的稳定性条件。与时域有限差分法相比,由于该方法中电场分量的迭代更新无需磁场参与,从而使算法的复杂性大大降低,是一种具有良好应用前景的电磁场时域数值分析方法,最后通过一个数值计算实例证明了该算法的有效性。     

等离子体羽流的低频RCS数值分析

探讨综合利用时域有限差分法(FDTD)和热力学原理计算等离子体羽流的电磁散射特性。以化学平衡流动为前提,采用最小自由能方法确定火箭发动机喷口处的电子密度;验证了基于辅助差分方程(ADE法)和Z变换方法对羽流电磁特性进行时域建模的正确性。弹道导弹(火箭)羽流雷达截面(RCS)的计算实例表明现有雷达,特别是低频段雷达有可能利用羽流的散射实现对主动段导弹的探测。     

基于时域有限差分方法求解薛定谔方程

时域有限差分(finite difference time domain, FDTD)方法广泛应用于电磁场仿真领域,并与量子力学理论相结合来求解时域薛定谔方程,然而数值计算中的稳定性研究缺少理论方面的探讨。基于冯·诺依曼的稳定性分析方法得到了时域薛定谔方程的一维以及多维的稳定性条件,并且讨论了在不同势能情况下该稳定性条件的表现形式。数值结果充分证明了结论的正确性。     

基于稳健波束形成的超宽带穿墙成像方法

针对现有超宽带穿墙雷达时域波束成像分辨率低、旁瓣高以及干扰抑制能力弱等问题,提出利用稳健Capon波束形成对目标成像的方法。该方法基于目标回波模型首先补偿近场扩散损耗、墙体传播损耗和折射效应,实现天线阵列接收数据的配准,利用稳健Capon波束成像得到良好的成像分辨率和更好的干扰抑制能力。利用时域有限差分(finite-difference time domain, FDTD)数值仿真和实验数据实现了隐藏目标的二维成像,验证了该方法的有效性。     

Wentzel-Kramer-Brillouin and finite-difference time-domain analysis of Terahertz band electromagnetic characteristics of target coated with unmagnetized plasma

We investigate computationally the attenuation and reflection of Terahertz （THz） wave using targets coated with plasmas. The simulators are the Wentzel-Kramer-Brillouin （WKB） method and finite-difference timedomain （FDTD） method. The relation between the frequency of the incident electromagnetic （EM） wave and the attenuation caused by unmagnitized plasma is analyzed. The results demonstrate that the amount of absorbed power is a decreasing function of the EM wave frequency and the plasma collision frequency. For THz band incident wave, the attenuation that is caused by plasma is small when the plasma has common density and the collision frequency. This conclusion has fine applying foreground for plasma anti stealth.     

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。     

GSM频段双频工作微带天线的数值模拟

设计了具有双频段工作特性的微机械微带天线,该天线适用于蜂窝通信及个人通信系统。其10dB带宽达到了8%以上,辐射效率为78%,天线长度小于1/16波长。首次将三维H-MRTD(theHaar-Wavelet-Basedmultiresolutiontimedomain)全波分析方法应用于该天线的建模和分析,并将H-MRTD数值计算公式推广到了非均匀有耗媒质中。数值模拟结果同传统FDTD方法及实验结果进行了比较,结果表明,每个波长只需取较少的空间离散网格,三维H-MRTD时域全波分析方法便能较精确地模拟微机械微带天线,并能有效地减少CPU计算时间及节省计算机内存。     

计算机机箱的电磁脉冲耦合模拟仿真

强电磁脉冲能量通过小孔、缝隙等耦合到计算机机箱内,会对计算机产生干扰和破坏作用。本文应用时域有限差分法模拟了电磁脉冲对计算机机箱的耦合透入过程,通过分析机箱中电磁场和电磁能量随时间的变化曲线,得出了机箱中电磁脉冲的耦合变化特征。电磁脉冲对计算机机箱的耦合模拟计算可用于指导计算机系统的电磁兼容、干扰和防护研究。     

组合目标电磁散射的FDTD/TDPO混合法

为分析组合目标的后向电磁散射,提出了时域有限差分FDTD与时域物理光学TDPO相结合的混合算法。组合目标包括电大尺寸和电小尺寸两个彼此相互分离的部分。采用FDTD方法分析形状或介质较复杂的电小结构部分;采用TDPO方法分析目标的电大尺寸部分。在处理FDTD区对TDPO区耦合时,利用了基尔霍夫积分的近场-近场外推技术,并提出了顺序传递方法,按照FDTD的时域计算顺序将FDTD区对TDPO区的贡献直接传递到远区观察点,计算效率高,所需内存少。对于远区后向散射,TDPO区对FDTD区的耦合则由互易性定理得到。最后给出了验证和应用算例,表明了方法的正确和有效性。     

超宽带冲激无线电引信地面回波仿真算法

超宽带冲激无线电引信系统设计过程中使用计算电磁学的方法研究地面对回波信号的影响,目前对超宽带冲激信号地面回波的计算多使用传统FDTD算法,其仿真步长受到稳定性条件的限制,计算量较大;基于ADI-FDTD(交替方向隐式-时域有限差分)算法,使用CPML(卷积完全匹配层)作为吸收边界,使用多极点Debye土壤模型描述地面电磁特性,提出一种多极点Debye介质中的CPML-ADI-FDTD方法;对不同湿度和粗糙度的地面回波进行仿真,结果表明所用的算法具有较高的精度和计算效率。     

薄涂层介质目标电磁散射的CFDTD分析

针对介质目标表面具有薄涂层材料的电磁散射问题,提出了一种基于等效介质参数的共形FDTD(Conformal FDTD,CFDTD)方法。对于介质目标表面包含薄涂层的共形网格,电场采样点处的介电常数和电导率的等效值通过元胞中介质、涂层和自由空间三者所占的长度加权平均得到,而磁场采样点处的磁导系数和导磁率的等效值利用介质、涂层和自由空间所占的面积加权平均得到。共形网格上电磁场递推式与常规FDTD递推式形式相同,只是递推式系数中的介质参数用相应的等效参数代替。涂层介质球的计算结果说明在保证计算精度的情况下,该方法可比常规FDTD方法节约大量的内存和计算时间。最后用该方法计算分析了复合结构弹翼的电磁散射特性。     

基于FDTD的高保真SAR回波信号仿真方法

针对传统合成孔径雷达(synthetic aperture radar, SAR)回波仿真算法忽略目标散射特性在观测时间内随方位角度和信号频率变化这一问题,提出一种基于时域有限差分方法(finite--difference time-domain method, FDTD)电磁散射计算的SAR原始回波数据生成方法,在此基础上提出了基于服务器的并行仿真策略及流程。该方法利用FDTD算法及后续仿真处理精确模拟了SAR系统线性调频脉冲信号从卫星传感器发射后,与场景目标发生相互作用,再被SAR系统传感器接收并生成原始回波数据的全部物理过程,从而得到高保真的SAR原始回波数据。最后,通过典型目标时间谱与空间谱的仿真对比实验及最终成像结果证明了本文所提算法的正确性及有效性。