基于多区迭代的多导体目标散射分析

多目标电磁散射在诸如雷达目标特性分析与识别、军用目标隐身与反隐身等实际工程中有着很强的研究价值.利用多区域迭代方法将原问题划分为若干个子域进行迭代求解,采用基于曲面RWG基函数的多层快速多极子方法计算各区域内的电流分布与区域间耦合.计算结果表明,利用该方法,在保证精度的前提下,能够很好地节省计算的存储量,对存储量的需求从O(NlogN)减为O(N<,max>logN<,max>),适合于多导体目标散射求解.     

电特大目标散射的多层快速多极子高性能计算

针对电特大目标散射的并行多层快速多极子计算中出现的构造几何信息树所需资源过多、保存远场模式所需内存过大及计算雷达散射截面时间长等问题,根据主流并行计算机架构以及电特大目标的特点,提出了解决方案,实现了电特大目标散射的高效精确计算。通过对未知数超过5亿、电尺寸达到几千个波长的电特大目标的数值实验,表明本文方案的精确性和高效性。     

复杂目标电磁散射计算软件的改进

在计算复杂目标的电磁散射中 ,图形电磁计算方法 (graphicelectromagneticcomputing,GRECO)可用来实时计算电大尺寸复杂目标的RCS。在考察了原有的GRECO计算内核之后 ,结合计算机图形学方面的理论 ,对GRE CO的内核代码进行了改进 ,从而使得对于目标的棱边判定更加充分、准确。对于PTD绕射系数f和g表达式中的奇异点 ,通过求取平均值的方法给出了准确的结果 ,整体上使得绕射场的计算结果更加准确。     

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。     

多层快速多极子法的内存占用与控制分析

从多层快速多极子算法的内存组成出发,建立了内存与未知数之间的关系,首次提出了网格划分尺寸与入射波长之比和多极子模式数对内存的影响。入射频率不变而网格划分尺寸减小时,聚合配置量内存与总未知数成正比,稀疏矩阵内存与相关未知数数目成平方关系,总内存迅速增加。网格不变而频率降低时,若分层数相同,稀疏矩阵内存不变,聚合配置量内存随频率降低而减小;若分层数降低,稀疏矩阵内存平方递增;若频率成偶数倍关系,聚合配置量占用内存不变,总内存振荡增加。改进模式数的精度控制后,提高了精度,但聚合配置量内存相应增加,总内存随之增加。     

改进的特征基函数法分析电磁散射问题

目标电磁散射特性分析具有重要意义,矩量法等数值方法是求解该类问题的重要工具。当待分析目标的电尺寸增大时,矩量法的内存需求和计算量随之快速增加,极大地限制了可求解问题的规模。宏基函数类方法通过在宏域上构造各种宏基函数,减少未知量数目,实现最终矩阵方程规模的缩减,使分析大规模问题变为可能。重点研究该类方法中近期获得较大发展的特征基函数法,结合物理光学法和球谐函数展开-多层快速多极子技术分析电磁散射问题。数值结果验证了改进的特征基函数法的准确性与高效性。     

Fast 3D EM scattering and radiation solvers based on MLFMA

As the fastest integral equation solver to date, the multilevel fast multipole algorithm （MLFMA） has been applied successfully to solve electromagnetic scattering and radiation from 3D electrically large objects. But for very large-scale problems, the storage and CPU time required in MLFMA are still expensive. Fast 3D electromagnetic scattering and radiation solvers are introduced based on MLFMA. A brief review of MLFMA is first given. Then, four fast methods including higher-order MLFMA （HO-MLFMA）, fast far field approximation combined with adaptive ray propagation MLFMA （FAFFA-ARP-MLFMA）, local MLFMA and parallel MLFMA are introduced. Some typical numerical results demonstrate the efficiency of these fast methods.     

分形海面及其上方目标电磁散射的混合算法

采用一维带限Weierstrass分形粗糙海面模拟实际的粗糙海面,运用基于矩量法(method of moment, MOM)结合基尔霍夫近似(Kirchhoff approximation, KA)的混合算法,研究了分形海面与上方需考虑旋转的复杂矩形截面导体柱的复合电磁散射。将不同入射角情形下的混合算法计算结果与传统的MOM结果进行了比对,结果表明该混合算法具有较高的准确性和计算效率。最后,讨论了复合散射系数与粗糙海面参数、目标参数以及入射波参数之间的依赖关系,得到了较完整的复合电磁散射特征。     

三维局部多层快速多极子算法

为了进一步加速多层快速多极子算法求解电大尺寸目标电磁散射,提出了一种基于局部耦合技术计算矩阵矢量相乘的多层快速多极子方法。通过在迭代过程中设置与迭代误差相关的最初层,每次迭代仅仅需要考虑局部的耦合区域。该方法在保证合理计算精度的同时大大降低了迭代过程中矩阵矢量相乘的计算复杂度,提高了多层快速多极子方法计算效率。数值结果说明了所提方法的有效性。     

一种计算电大尺寸复杂导体目标电磁散射的MoM-SBR/PO混合法

作为传统MoM和PO混合法(MoM-PO)的拓展,提出了一种组合MoM、SBR和PO的混合方法(MoM-SBR/PO)用于计算电大尺寸复杂导体目标的电磁散射。利用基于射线密度归一化(RDN)概念的SBR方法有效地考虑了PO区域之间的多次反射影响,简化了PO区域内的耦合计算,避免了耗时的迭代求解过程和格林函数的选择等难点,提高了计算效率。数值结果验证了该方法的有效性和正确性。     

高阶双尺度法求解粗糙海面的散射特性

针对传统双尺度法不能有效求解低掠入射散射特性的问题,通过在小尺度集平均中计及散射场的高阶微扰分量,而提出了一种高阶双尺度的新方法。通过高、低阶微扰法求解水平、垂直极化下的散射系数,分析了高阶场量在低掠入射下的修正效应,并讨论了不同粗糙度的情况,研究了高阶双尺度法的求解结果。和测量值的比较表明,考虑高阶散射分量的高阶双尺度法可以很好地求解粗糙表面的散射特性,从而证明该方法是正确而有效的。     

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。     

分层粗糙面的电磁散射研究

基于矩量法（method of moment,MOM）及基尔霍夫近似（Kirchhoff approximation,KA）研究了分层粗糙面的电磁散射问题。首先,利用经典MOM求解了上层粗糙面的总场,包括直接入射场及由其激发的直接散射场。然后,将锥形入射波引入到传统KA中,利用其求解了分层粗糙面的透射场。数值计算并讨论了粗糙面高度起伏均方根、相关长度及分层粗糙面间距等参数对分层高斯粗糙面双站散射系数的影响。     

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（propagation-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。     

高斯介质粗糙表面电磁散射的高阶基尔霍夫法

针对基尔霍夫近似(KA)求解精度的问题,提出了一种均方高度高阶级数展开的改进算法。该算法基于粗糙表面斜率的零阶展开和二阶展开近似,得到了考虑斜率效应的高阶KA的求解结果。通过阴影函数的修正有效补偿了在大入射角下散射系数计算的偏差。分析了考虑斜率效应及阴影函数时的后向增强现象,通过数值计算比较证明了该算法的有效性。     

二维纹理特征指数谱粗糙面的极化散射

研究了具有纹理特征的二维指数谱粗糙面的极化散射特性。在两个方向上相关长度的比值足够大时指数谱粗糙面表现为条纹特征,而在比值接近为一时又表现为方格特征。这两种视觉特征又可以通过傅里叶变化旋转得到不同的纹理角效果。通过粗糙面的小面元积分,推导出椭圆极化入射时笛卡尔坐标系下的散射场,并得到了不同纹理特征指数谱粗糙面的极化散射。结果显示极化散射特性的研究对利用遥感信息提取粗糙面的纹理特征具有重要意义。     

粗糙面上方二维目标角闪烁特性分析

此前角闪烁特性的研究对象多为偶极子或自由空间中的典型目标,而海、地粗糙面环境中雷达目标角闪烁特性研究的需求更为迫切。采用矩量法与矩阵UV分解相结合(method of moments with the UV, MOM-UV)的快速计算方法,仿真求得PM谱粗糙面及其上方二维目标的各成分感应电流。再利用相位梯度法得到复合散射角闪烁线偏差的精确计算结果,并进一步分析各成分感应电流对角闪烁的贡献,探究耦合对于目标角闪烁特性的影响。     

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。     

粗糙海面电磁散射的小斜率近似方法

利用小斜率近似方法研究了粗糙海面的电磁散射特性,推导了极坐标下小斜率近似方法的双站散射系数计算公式.基于Elfouhaily海谱模型,计算了海面的散射系数,将得到的理论计算结果和实验数据及考虑和不考虑遮蔽效应的基尔霍夫近似结果进行了对比.讨论了不同极化状态下小斜率近似方法的后向散射系数随入射波频率和风速的变化关系.结果表明,在后向散射情况下,理论计算结果和实验数据吻合很好;在双站散射情况下,在大散射角时小斜率近似的结果更为准确;无论是何种极化,后向散射系数均随入射波频率和风速的增大而增大.