基于高阶辛算法求解Maxwell方程

为克服标准时域有限差分(FDTD)方法的缺陷,引入一种新的数值计算方法———高阶辛算法求解Maxwell方程,即在时间上用高阶辛差分格式离散,空间分别采用二阶及四阶精度的差分格式离散。系统地分析了高阶辛算法的稳定性及数值色散性,通过理论上的分析及数值计算表明,在空间采用相同的二阶精度的差分离散格式时,高阶辛算法的稳定性与FDTD法相当;四阶辛算法结合四阶精度的空间差分格式较FDTD法具有更为优越的数值色散性———各向同性。结合二维TMz波的数值计算结果表明,高阶辛算法较FDTD法有着更强的计算优势。     

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.     

旋转体波动方程时域有限差分法

为仿真电磁波与旋转体的相互作用,通过把电磁场的6个分量作傅里叶展开,把三维波动方程简化至二维,并用时域有限差分法(FDTD)基本原理求解二维波动方程,实现了旋转体波动方程时域有限差分法(BOR WE FDTD)。相对于旋转体时域有限差分法(BORFDTD),BOR WE FDTD具有节约内存和机时、程序简单等优势。通过模拟介质球对简谐波的散射,并把结果和理论结果、BORFDTD结果作对比,证实了BORWEFDTD的有效性。     

Runge-Kutta方法求解结构动力学方程

将几种具有不同稳定性的Runge-Kutta方法应用到结构动力学方程的数值求解中。针对增量形式的动力学方程,使用改进的Newton-Raphson迭代,研究了减少计算量的两种方法：（1）使用单对角隐式Runge-Kutta方法,（2）应用转化矩阵。采用逼近算子的谱半径分析了稳定性与数值阻尼特性,解释了L-稳定方法抑制高频振荡的原因。数值算例表明在精确解上较小的物理阻尼能有效的抑制高频振荡,但对各种直接积分方法的影响很小,高精度的L-稳定Runge-Kutta方法能在有效抑制高频振荡的同时高精度的求解低频振动。

Abstract：

Several Runge-Kutta methods with the different stability were applied to solve the equations of motion in structural dynamics. For incremental dynamical equations,using the modified Newton-Raphson iteration,two methods to reduce the amount of work were proposed. The first one is the singly diagonally implicit Runge-Kutta methods,and the second one is to apply the transform matrix. Using the spectral radii of approximation operators,the stability analysis and the numerical damping property were studied,and the reason why the L-stability methods could wipe out the high oscillations was explained. Numerical example was solved by several direct integration methods,the result show that the small physical damping can wipe out high oscillations effectively on exact solution,but it has little effect on numerical solution,and the high order L-stability Runge-Kutta methods can wipe out the high oscillation effectively,at the same time,solve the vibration of low frequencies with high accuracy.     

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。     

基于传播子技术的辛FDTD方法

数值求解三维时域Maxwell方程的过程中,保持方程的内在结构显得尤为重要.利用Hamilton 函数的变分形式,首次将Maxwell方程表述为Hamilton正则方程形式.在时间方向上,借助辛传播子技术对方程进行离散以保持方程的内在结构;在空间方向上,采用四阶精度的有限差分格式对三维旋度算符进行差分离散,建立了求解Maxwell方程的辛时域有限差分(S-FDTD)方法.对S-FDTD方法的稳定性及数值色散性进行了系统的探讨,数值结果表明该方法的正确性及高精度性.     

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。     

电子设备贯通导线的电磁耦合时域分析算法

目前,应用于电子设备贯通导线电磁耦合分析的数值算法仍比较缺乏。基于时域有限差分(finite difference time domain, FDTD)方法和传输线方程,并结合诺顿定理,提出了一种高效的时域混合算法,用于解决电磁波作用于电子设备贯通导线的电磁耦合问题。首先,将贯通导线按照电子设备屏蔽腔结构分解为内、外传输线。然后,采用FDTD方法结合传输线方程,构建内外传输线的电磁耦合模型,并求得内外传输线上的瞬态响应。最后,根据诺顿定理建立贯通导线的等效电路模型,解决内外传输线之间的阻抗不匹配问题,并实现干扰信号在贯通导线上的来回传输。采用该时域混合算法,对电磁波作用自由空间和屏蔽腔内电子设备贯通导线的电磁耦合进行数值模拟,并与传统FDTD方法进行比较,验证了算法的正确性和高效性。     

微带阵列互耦的时域有限差分法(FDTD)仿真

在微带阵列天线中,贴片间的耦合是阵列性能下降的一个重要原因,对互耦进行正确的评估、计算,有助于深入了解阵列特性并指导设计工作.采用时域有限差分(FDTD)法计算微带贴片间的互耦系数,其中采用非均匀网格对天线进行网格剖分,并引入了电阻性电压源,在保证计算精度的前提下,大大节省了计算空间和计算机时间.利用N端口网络知识通过简单计算即可得到互耦系数,与传统方法相比降低了计算、编程难度,计算结果与矩量法及测量结果基本一致.     

发汗控制方程差分方法的误差增长分析

本文讨论发汗控制方程差分方法的误差增长，提出了使方法数值稳定的步长控制准则。     

基于重叠型区域分解的时域积分方程法

时域平面波算法可以降低时域积分方程的计算复杂度以及内存消耗,但是时域积分方程的阻抗矩阵的近场部分元素无法减少,内存消耗依然很大。提出了利用重叠型区域分解法降低时域积分方程的内存需求,通过采取划分子区域,利用特征基函数法降低阻抗矩阵规模的方法,降低了内存消耗。数值算例验证了重叠型区域分解法结合时域积分方程能有效地用于瞬态电磁散射问题的分析。     

基于时间差的无线传感器网络节点定位方法

在分析RSSI、ToA、TDoA和AoA测距方法优缺点的基础上,给出一种基于时间差的节点定位方法.该方法无需锚节点与锚节点之间,以及锚节点与目标节点之间的时间同步,根据三个锚节点的定位信号到达目标节点的时间差,即可完成对目标节点的定位.以三个锚节点呈等边直角三角形布置为例,对定位误差进行计算并得出了提高目标节点时钟精度和增加锚节点之间的距离可减小定位误差的结论.最后,利用无线传感器网络测试床进行算法有效性验证,结果表明了所提定位算法的有效性.     

基于时隙差的电磁散射机理分解技术

目标总散射场往往包含多种不同的散射机理,分解不同的散射机理,对于复杂目标电磁散射认知、特征和目标识别及散射特性控制具有重要意义。基于不同散射机理回波到达接收机具有时隙差这一物理基础,实现了镜面散射、多次散射等散射机理的分解。最后给出了多个模型的仿真实例,在其时频分析结果、雷达成像和雷达散射截面对比结果中,可以清楚地观察到不同散射机理得到了有效的分解,验证了本文方法的可行性和正确性。     

非共形区域分解法分析电磁散射问题

非共形区域分解法允许相邻子域在分界面上具有不一致的网格剖分,对所形成的方程组的求解类似于Jacobi迭代。通过对子域分界面上混合边界条件的修正,以及使用修正后的Galerkin测试基函数,可以很大程度上加速迭代收敛。同时,将各向异性完全匹配层（perfectly matched layer, PML)引入非共形区域分解法,也极大地减少了未知量。另外,还对多种加速求解的方法做了深入研究,对非共形分界面上实现数据交换做了详细的阐明。最后通过算例验证了该算法的准确性和高效性。     

全相位FFT相位差频谱校正法改进

基于全相位快速傅里叶变换（fast Fourier transform, FFT）的相位差频谱校正法由于未计及负频率的影响,导致低频信号参数估计精度下降。针对此问题,提出一种改进的全相位FFT相位差频谱校正法,该算法在计算传统FFT时,消除了负频率对频谱分析的影响。介绍了全相位频谱分析原理及全相位FFT相位差频谱校正算法,分析了负频率对低频信号频谱分析造成影响的原因。在计及负频率影响的情况下推导了非整周期采样条件下单频余弦信号的频率、幅值和相位的计算公式。仿真结果表明,计及负频率影响的算法提高了基于全相位FFT的相位差频谱校正法对低频余弦信号参数估计的精度,算法抗噪性能得到改善。     

基于移位算子方法的通用介质CFS-PML实现

针对通用色散介质时域有限差分方法计算时完全匹配层吸收边界截断的问题,提出了一种新颖的复频率完全匹配层实现方法。该方法从拉伸坐标系的麦克斯韦旋度方程出发,首先利用移位算子方法得到拉伸坐标张量系数的移位算子表示式,进而得到完全匹配层的时域有限差分更新公式。该公式与计算区域内的介质无关,可用于通用介质情况。数值计算结果表明,所得吸收边界在内存占用、计算时间、应用场合等方面均表现出色,且推导简单,概念明确。     

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。     

Solving multi-object radar cross section based on wide-angle parabolic equation method

1. INTRODUCTION The parabolic equation (PE) was first introduced to treat the problems of diffraction of radio waves around the earth by Leontovich and Fock[1,2]. It’s a full-wave technique based on splitting the wave equation into two parabolic equations: outgoing and incoming parabolic wave equation, which describes the forward and backward propagating fields. The solution is marched from plane to plane along some preferred direction (say, paraxial direction). This technique reduces t…