三维介质粗糙面上导体目标散射的解析-数值混合算法

推导出二维介质粗糙面与其上三维导体目标复合散射的耦合积分方程,提出目标散射的数值矩量法(Method of Moment,MoM)与粗糙面散射的基尔霍夫解析近似法(Kirchhoff Approximation,KA)相结合的混合迭代算法.理论推导表明:当目标距离粗糙面的高度满足条件时,目标的离散单元在粗糙面上任意一点的散射场满足局部平面波关系,利用粗糙面局部面元的反射和透射关系,得出粗糙面感应场的KA解析计算式.由于粗糙表面的感应场用KA解析计算,只需对目标的感应电流进行一次数值积分,无需数值求解粗糙面的积分方程,节省大量的存储空间和运算时间,能在理论上十分简明、数值计算上十分有效地求解三维体目标与面目标组合的复合散射问题.讨论了目标与粗糙面相互作用的互耦迭代算法的有效性和收敛性.结合Monte-Carlo方法产生随机粗糙面样本,数值分析Gauss介质粗糙面上方的规则导体球或任意不规则六面体的散射,讨论了粗糙面的介电参数和目标几何形状等对双站散射的影响.     

高斯粗糙面与临空目标复合电磁散身寸的KH-MOM解

提出了一种求解一维粗糙面与二维无限长临空目标复合电磁散射特性的新型混合算法。混合算法只需在粗糙面上进行一次积分运算,即可用基尔霍夫-亥姆霍兹方程(KH)描述电磁波经粗糙面后的散射情况,再用矩量法(MoM)分析目标的散射问题,通过KH与MoM的混合来体现粗糙面与目标之间的耦合作用。经与不同方法的对比,验证了混合方法的正确性,体现了混合方法较数值法在求解效率上的巨大优势。计算了粗糙面与临空目标的统计复合散射特性,分析了粗糙面的起伏参数、临空目标的形状以及粗糙面介质的电参数对复合散射特性的影响。     

一维微粗糙面与其上方金属平板的复合电磁散射研究

研究了一维导体随机粗糙面与其上方金属平板的复合电磁散射。应用互易性原理使求解复合目标的二次散射场简化为求解包含平板上的极化电流和微粗糙面散射场的积分方程。利用物理光学近似和粗糙面微扰法分别计算了平板上的感应电流和粗糙面的电磁散射场,导出了复合散射模型单、双站散射的计算公式并给出了单站数值计算结果,讨论了后向复合散射截面随入射频率及平板尺寸、位置的变化关系。     

复杂陆地粗糙面及其上方坦克目标复合散射研究

研究了复杂陆地粗糙面及其上方坦克目标的复合散射特性.基于Monte Carlo方法,利用高斯谱函数模拟不同统计特性的陆地表面,运用加权反正切函数滤波处理以构造边界和连接相邻区域,构建了复杂陆地分区域复合粗糙面的几何模型.提出了一种快速精确求解复杂陆地粗糙面及其上方坦克目标复合散射的混合方法,利用迭代物理光学法求解目标与环境间的多次耦合,运用等效电磁流法修正棱边绕射.分析了复杂陆地粗糙面的散射特性,研究了入射角、均方根高度、相关长度和粗糙面表面结构对复合散射特性的影响.本研究为探测复杂环境上方的坦克目标提供了理论基础,数值仿真结果对雷达目标的探测与识别具有借鉴意义.     

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。     

高阶FE-BI方法及一种新型的预条件技术

将基于六面体网格的高阶矢量基函数(higher order vector basis function)引入到矢量有限元-边界积分(FE-BI)混合方法中,用于建模带有深腔和狭长缝隙结构三维目标的电磁散射特性;提出了一种新型的预条件技术,用于加速FE-BI系统的迭代求解;给出了结合该预条件技术的GMRES方法求解腔体电磁散射的算例;数值结果证明了高阶FE-BI方法相对于低阶FE-BI方法的优势以及新型预条件技术的有效性.     

快速计算一维分层粗糙面之间金属目标复合散射的互耦迭代算法

为研究一维分层介质粗糙面之间金属目标的复合电磁散射特性,该文提出了一种结合前后向迭代算法(FBM)和双共轭梯度法(Bi-CG)的快速互耦迭代算法(CCIA)。推导了分层粗糙面与金属目标的耦合边界积分方程组,采用FBM和Bi-CG分别求解分层粗糙面与目标的边界积分方程,目标和分层粗糙面的相互作用通过更新两方程的激励项来实现。计算了双层介质高斯粗糙面及无限长金属圆柱的复合电磁散射特性,当目标尺寸趋于零时与只有分层粗糙面的散射系数相吻合,验证了该算法的正确性;分析了不同粗糙面情况下该算法的收敛性;讨论了目标尺寸与位置变化对复合散射系数的影响。结果表明,金属目标的存在明显影响了分层粗糙面的散射特性。     

粗糙海面上三维金属目标的电磁散射特性分析

该文采用矩量法(MoM)计算粗糙海面上三维金属目标的电磁散射特性。计算了位于半空间媒质中的电偶极子和磁偶极子的矢量位并矢格林函数和标量位格林函数,并将其应用于矩量法中。把海水视为下半空间媒质,粗糙海面为位于上半空间中的介质表面。通过建立介质和金属混合目标的积分方程,并采用迭代方法求解矩阵方程以得到该模型的散射特性,数值结果验证了本文方法的有效性。     

粗糙面下方金属目标复合电磁散射的快速算法

为快速有效计算粗糙面下金属目标的复合电磁散射,提出了一种基于前后向迭代算法(FBM)和共轭梯度(CG)法的快速互耦迭代算(CCIA).首先建立目标与粗糙面的耦合积分方程组,并采用矩量法将其离散为矩阵方程.其次针对得到的耦合积分方程,用FBM求解粗糙面表面电流分布,用CG法求解目标表面电流分布,目标和粗糙面的相互作用通过更新两方程的激励项完成.最后,计算了高斯粗糙面下方无限长金属圆柱目标的复合电磁散射系数,当目标尺寸趋于零或目标深度趋于无穷时的结果与单独介质粗糙面相一致,验证了该数值方法的正确性;同时,讨论了不同粗糙面情况下该方法的收敛性,并分析了不同粗糙面媒质、目标尺寸和目标位置对双站散射系数的影响.     

随机粗糙地面与下方目标复合电磁散射研究

利用MOM 研究了不同土壤类型的有耗介质粗糙地面与其下方埋藏金属目标的复合电磁散射问题,在数值计算中,引入了锥形入射波以减少粗糙面模拟中由于人为截断所引起的计算误差。当给定入射波频率、土壤成分及土壤温度和土壤湿度后,可以根据相关模型计算出土壤的相对介电常数。数值结果以二维无限长导体圆柱为例,利用 Monte-Carlo 方法统计计算了双站复合散射截面随土壤湿度、均方根高度的变化情况,并做了详细分析及讨论。     

粗糙面与导弹目标复合电磁散射仿真计算

提出了一种求解粗糙面和三维目标复合电磁散射问题的通用仿真方法。将描述粗糙面上电磁波反射的基尔霍夫-赫姆霍兹方程与目标表面的电场积分方程相结合,得到新型的混合方程,进而采用矩量法求解,通过数值算例验证了该方法的精度和效率。采用此方法研究了两种典型导弹目标与粗糙面的复合散射特性,分析计算结果可得:粗糙面粗糙度参数对复合散射特性有着重要的影响作用。     

Scattering analysis of a large body with deep cavities

A numerical scheme is presented for simulating electromagnetic scattering from a large and arbitrarily shaped body, coated with inhomogeneous composite materials, with large and deep cavities. This numerical scheme employs the higher order vector finite-element method (FEM) to discretize the fields inside the cavities and coatings and the higher order boundary integral (BI) method to terminate the FEM computational domain. A highly efficient special solver is designed to eliminate the unknowns inside the cavities, which yields a computed relation (CR) matrix over the cavity's aperture between the tangential electric and magnetic fields. This CR matrix is then combined with the finite element-boundary integral (FE-BI) matrix equation to form a complete linear system for the discrete fields everywhere in the computational domain. The resulting system is solved iteratively using a novel preconditioner derived by replacing the BI with a corresponding absorbing boundary condition (ABC).     

基于积分方程的地下管线电磁散射计算

采用积分方程仿真粗糙地面下方金属和介质管线的电磁散射。由于地下的土壤是分层的,根据面等效原理、边界条件以及目标在分界面上方还是下方,分别列出相应的积分方程,采用矩量法求解积分方程。粗糙地面的建模采用谱快速傅里叶变换(FFT)方法和高斯谱,仿真了粗糙地面下方圆截面和矩形截面的管线。仿真结果表明,本文的分析方法能够计算地下管线的电磁散射。     

A highly effective preconditioner for solving the finite element-boundary integral matrix equation of 3-D scattering

A highly effective preconditioner is presented for solving the system of equations obtained from the application of the hybrid finite element-boundary integral (FE-BI) method to three-dimensional (3-D) electromagnetic scattering problems. Different from widely used algebraic preconditioners, the proposed one is based on a physical approximation and is constructed from the finite element method (FEM) using an absorbing boundary condition (ABC) on the truncation boundary. It is shown that the large eigenvalues of the finite element (FE)-ABC system are similar to those of the FE-BI system. Hence, the preconditioned system has a spectrum distribution clustered around 1 in the complex plane. Consequently, when a Krylov subspace based method is employed to solve the preconditioned system, the convergence can be greatly accelerated. Numerical results show that the proposed preconditioner can improve the convergence of an iterative solution by approximately two orders of magnitude for large problems.     

Scattering from a metallic object embedded near the randomly roughsurface of a lossy dielectric

Two-dimensional electromagnetic scattering from a perfectly conducting target embedded near the randomly rough surface of an isotropic lossy dielectric is investigated. The randomly rough surface is illuminated by a finite width beam from an antenna in the free space above the surface, with off-normal incidence. Standard integral equation methods are applied and include all subsurface interactions between the object and rough surface. For a chosen embedded target, Monte Carlo simulations are performed for a selection of ensembles of rough surface types intended to be suggestive of natural ground. Far field scattering coefficient distributions and corresponding synthetic images suggest when the buried object should be discernible. Sensitivities are explored in terms of surface type, polarization of the incident field, depth and orientation of target, soil characteristics, incidence angle, and beamwidth. Many of the scattering features identified should also apply in 3D     

A fast time-domain finite element-boundary integral method forelectromagnetic analysis

A time-domain, finite element-boundary integral (FE-BI) method is presented for analyzing electromagnetic (EM) scattering from two-dimensional (2-D) inhomogeneous objects. The scheme's finite-element component expands transverse fields in terms of a pair of orthogonal vector basis functions and is coupled to its boundary integral component in such a way that the resultant finite element mass matrix is diagonal, and more importantly, the method delivers solutions that are free of spurious modes. The boundary integrals are computed using the multilevel plane-wave time-domain algorithm to enable the simulation of large-scale scattering phenomena. Numerical results demonstrate the capabilities and accuracy of the proposed hybrid scheme     

土壤表面与置于其上组合目标复合电磁散射特性研究

为了满足置于粗糙面之上组合目标测量和检测的需要,该文分别采用Dobson半经验模型和电介质复介电常数公式表示土壤介电常数的实部和虚部,应用指数型分布粗糙面和Monte Carlo方法模拟实际的土壤表面。通过与矩量法得到的计算结果比较,验证了时域有限差分(FDTD)方法计算粗糙面与目标复合散射问题的有效性,进而运用该方法研究了土壤表面与置于其上组合目标的复合散射,得出了复合散射系数的角分布曲线。结果表明:复合散射系数随散射角振荡地变化,在镜反射方向处发生散射增强效应;土壤表面高度起伏均方根越大,复合散射系数越大;相关长度越大,复合散射系数越小;湿度越大,复合散射系数越小;组合目标尺度、介电常数、入射角对复合散射系数影响比较复杂。该文结果可用于求解地、海粗糙面与置于其上任意目标的复合电磁散射问题,与其它数值计算方法相比较,采用时域有限差分方法既可获得较高的准确性,同时又可减少计算时间和内存占用量。