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。     

目标电磁散射的面中心立方体网格FDTD方法

基于面中心立方体(face-centered cube, FCC)网格的空间结构, 由麦克斯韦方程出发, 推导了基于FCC网格的单轴各向异性介质完全匹配层(uniaxial anisotropic media perfectly matched layer, UPML)吸收边界条件以及近-远场外推边界条件的三维迭代式。通过典型算例, 先后验证了基于面中心立方体网格的时域有限差分(FCC-finite difference time domain, FCC-FDTD)方法的UPML吸收边界条件和近远场外推边界条件的正确性。最后通过计算金属球的后向雷达散射截面(radar cross section, RCS)比较了FCC-FDTD方法与传统FDTD方法的计算精度, 结果显示FCC-FDTD方法具有更高的计算精度。     

基于等效参数的三维涂层目标MCFDTD分析

为精确模拟三维有耗薄涂层问题,提出了一种新的基于等效介质参数的共形FDTD(modified con-formal FDTD,MCFDTD)方法。对于包含薄涂层的元胞,将薄涂层和自由空间用等效介质来代替;元胞中电场采样点处的介电系数和电导率的等效值,通过元胞中涂层介质和自由空间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,则利用涂层介质和自由空间所占的面积加权平均得到。对于弯曲理想导体表面附近元胞,通过采用围线路径积分导出共形FDTD递推式,包含薄涂层的共形网格在递推式中需采用等效介质参数。涂层理想导体球的计算结果与Mie级数解的比较,说明了该方法的正确性和有效性。     

时域有限差分并行算法中的吸收边界研究

针对并行FDTD中以二阶Mur、单轴各向异性介质完全匹配层(UPML)和卷积形式完全匹配层(CPML)为吸收边界的并行化处理方法进行论述.用金属球的远区散射计算,并与Mie级数解对比,验证了并行计算中三种吸收边界的吸收效果.最后给出UPML吸收边界FDTD计算内存估计公式,并以电大尺寸目标卫星模型为例对并行性能进行了测试.由于并行中通信时间影响并行加速比和效率,UPML和CPML吸收边界的相邻子域数据通信方式与FDTD选代式相同,而Mur吸收边界的相邻子域间数据通信方式与FDTD完全不同,它的并行性能要低于前两者.电大尺寸卫星目标模型的多机并行计算测试结果表明,UPML和CPML并行FDTD计算的并行加速比及其效率整体上高于Mur,其中CPML吸收条件下的效率达到90%以上.     

金属目标覆盖双负介质时的宽带散射

由双负介质的本构关系出发,利用时频转换关系,推导出了描述双负介质中电磁场与电磁流的微分方程组。将该方程组按标准Yee元胞差分离散时电场和磁流在整数时间步取值,磁场和电流在半整数时间步取值。电流在电场的节点取样而磁流在磁场的节点取样,得到用于FDTD计算的三维递推表达式。讨论了双负介质和双正介质交接面处介质参数的处理方法。随后,与文献结果对比验证了该算法和程序的正确性。最后,计算了金属目标覆盖双负介质时的宽带散身,结果表明双负介质覆盖层可以在宽频段内减小金属目标的后向RCS。     

分层双轴各向异性介质电磁传播矩阵计算

在广义传播矩阵(general transmitting matrix, GTM)方法分析各向异性介质传播特性的基础上, 对分层双轴各向异性介质进行分析。构造双轴各向异性介质中横向场的状态矢量和耦合矩阵, 得到双轴各向异性介质中的本征波, 引入GTM, 获得分层双轴各向异性介质的反射系数和透射系数。对不同介质涂覆结构的角度特性和频率特性进行分析, 数值计算结果与商业软件结果高度一致。进一步将电磁传播矩阵与弹跳射线(shooting and bouncing ray, SBR)法相结合, 获得介质涂覆目标的电磁散射特性, 所得雷达散射截面结果与商业软件结果之间的均方根误差小于3 dBsm, 体现了该方法的准确性。     

基于NURBS建模的隐身目标RCS仿真研究

隐身方法中,在目标表面涂敷雷达吸波材料(RAM)可以在所有方向上都达到减小雷达散射截面(RCS)的隐身效果。采用非均匀有理B样条(NURBS)方法建立目标模型,并将模型转化成易于计算的贝齐尔(Bézier)形式。然后,采用物理光学法(PO)计算了电大尺寸隐身目标的RCS。通过涂覆圆柱、涂覆柱台的计算,将结果与文献结果相比较,表明本方法是有效的,同时也说明吸波材料对减小目标RCS有显著效果。     

各向异性介质FDTD分析及其并行计算

研究并实现了介质电与磁本构参数均为各向异性时的三维ANI-FDTD(anisotropic medium finite-dif-ference time-domain)方法及其并行计算。分析表明,电磁场分量节点的FDTD迭代计算均涉及到其邻近28个其他场分量节点值。在此基础上,分析了实行区域分割后ANI-FDTD并行计算中的数据通信规律。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,实现了计算机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方法和程序的正确性。     

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。     

复杂目标电磁散射计算的可视化研究

科学计算可视化日益与各学科相结合，产生新的研究方法。在复杂目标电磁散射研究中，目标的几何建模和雷达散射截面(RCS)计算结果的分析在目标电磁散射分析中越来越重要，利用多种样条曲面进行复杂目标精细几何建模，采用GRECO(图形电磁学)法计算目标的RCS值，从而提高电磁散射计算的精度，并对RCS计算结果进行可视化处理，使计算结果直观且易于分析。     

FDTD算法中薄涂层介质参数等效方法

本文介绍一种在时域有限差分（ＦＤＴＤ）算法中薄涂层介质参数的等效处理方法。具体计算例子表明这种方法对处理金属表面涂层厚度不到一个ＦＤＴＤ元胞大小的情况非常有效。最后还计算了有耗涂层飞机机翼模型的ＲＣＳ。     

微波段电单轴介质主轴方向确定及参数反演

给出了各向异性介质介电系数张量主系表达式和实验室系表达式之间的关系。讨论了实验室系中电单轴介质介电系数张量的特点。将各向异性介质沿三个正交方向切割成板状样品,分析了电磁波沿不同入射方向和不同极化情形下,样品板后向散射的特点。提出了一种测量板状样品后向散射场交叉极化分量并结合已有方法反演微波段电单轴各向异性介质参数和确定介质主轴方向的新方法。利用时域有限差分方法数值模拟了电各向异性板状材料的后向散射,并给出了参数反演和主轴方向确定的算例。理论分析和数值模拟结果表明,本文方法可应用于自由空间测量中电单轴各向异性介质主轴方向确定和介质参数测量。     

锥扫式攻顶装甲目标的毫米波雷达散射特性仿真与分析

利用建模软件UG5.0对某装甲进行建模,分别应用基于求解微分方程的时域有限差分法FDTD和基于求解积分方程的FEKO5.3软件对模型进行仿真计算与分析,得出该装甲在锥扫式毫米波近程雷达照射方向下各种姿态的雷达散射截面积和方向图。结果表明,此两类算法可以实现较准确的电磁散射建模计算,不仅为毫米波近程雷达半实物仿真测试系统提供了大量的装甲目标特性数据库,而且可以节省人力物力,加快项目的研究进度。     

基于时域弹跳射线法分析电大尺寸目标的散射

通过对频域弹跳射线法的表达式进行逆傅里叶变换推导出时域弹跳射线法的表达式,并且讨论了与时域弹跳射线法相关的八叉树加速算法、Nyquist抽样准则及遮挡判别方法。与时域低频方法（如时域有限差分法、时域积分方程法）相比,时域弹跳射线法的优点是计算速度快、所需内存少,是分析电大尺寸目标宽带雷达散射截面的高效方法。实际算例的数值结果表明,时域弹跳射线法与其他精确方法的结果吻合很好。     

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。