有耗平面和三维目标复合散射的FDTD分析

采用FDTD方法计算了有耗地面与三维目标的复合散射,对吸收边界条件,连接边界条件和近远场变换作了细致讨论.吸收边界使用了广义PML吸收层,它对电磁波有较好的吸收效果.连接边界处则利用解析入射波和三波迭加技术,上半平面用入射波和反射波、下半平面用透射波作为对目标的外加场进行计算.得到近场数据后,为避免出现复杂的Sommerfeld积分,用互易原理简化了外推过程.FDTD算法与矩量法和快速多层多极子相比,具有节省内存,计算时间短等优点.通过地上物体和地下物体的计算验证了FDTD方法的精确性,讨论了散射体离地高度对后向RCS的影响.     

无时间约束FDTD方法在三维散射中的应用

本文阐述了一种无时间约束条件的FDTD方法(ADI-FDTD)在三维目标电磁散射中的应用.由于散射问题的复杂性,文中分别推导了ADI-FDTD原始方程在连接边界条件、吸收边界条件和近远场外推等关键处的修正方程,并提出了ADI-FDTD方法中的时间步长上限.通过算例表明该方法与传统FDTD方法相比,时间步长可突破传统时间－空间约束条件,它的选取能远大于原有时间步长,对同一散射问题,总计算时间步可以相应大幅度减少,进而提高FDTD方法在计算散射问题中的效率.最后,数值计算显示了该方法的计算精度,并通过图表给出与传统FDTD计算时间的比较.     

MPI+OpenMP混合编程在三维电磁辐射计算中的应用

在多核CPU集群环境下,采用MPI+OpenMP混合算法,实现了FDTD算法电磁场点源辐射数值模拟计算,有效解决了传统的FDTD算法在大数据电磁辐射计算中空间和时间上的不足的问题,并运用区域分割、子区域数据通讯、合并嵌套等方法提高程序的并行性,最后对计算结果进行正确性验证.通过在上海大学高性能集群上与MPI算法进行性能对比,结果表明,利用MPI+OpenMP获得了较高的加速比,并有效地节省计算资源,加快计算速度.     

电磁场FDTD算法的容错分析与实现

 针对时域有限差分(FDTD)算法的计算机实现困难,提出时间与空间容错概念,并详细分析了FDTD算法的容错特性,以及影响容错FDTD执行性能与计算精度的几个关键因素.在容错实现中,本文提出容错写盘时忽略理想匹配层(PML)吸收边界,并利用内存映射技术实现电/磁场值数组,然后将其应用到FDTD算法的时间与空间容错中.数值模拟实例和相关的性能比较结果验证了方法的有效性.     

FDTD结合蛙跳技术计算微波辐射下化学溶液温度

在微波化学研究中,对反应溶液温度变化的模拟和控制具有十分重要的意义.利用模拟微波在TEM cell中与试管内的化学反应溶液相互作用,以有限时域差分(FDTD)法为基础,结合蛙跳技术,计算了微波化学反应过程中的温度分布及变化情况.有效缩短了模拟计算时间,数值计算结果与实验测量数据得到很好的吻合.     

Padé近似在光子晶体模拟中的应用

为了节省时域有限差分(FDTD)法的计算时间,提出了许多将FDTD的时域结果转换到频域的方法.文中介绍了一种基于Baker算法的Pade近似,并展示了其在光子晶体模拟中的应用.对频率为160THz,品质因子为5000的简单谐振子,结果显示Padé近似用28时间步数据得到的强度谱比快速傅里叶变换用220时间步数据得到的强度谱更精确.采用这一Padé近似,光子晶体平板结构中不同波矢对应的模式频率和品质因子及其能带结构可以在很短的FDTD输出结果下得出.另外,Padé近似也用于计算光子晶体微腔的模式频率和品质因子.     

Padé近似在光子晶体模拟中的应用

为了节省时域有限差分(FDTD)法的计算时间,提出了许多将FDTD的时域结果转换到频域的方法.文中介绍了一种基于Baker算法的Pade近似,并展示了其在光子晶体模拟中的应用.对频率为160THz,品质因子为5000的简单谐振子,结果显示Padé近似用28时间步数据得到的强度谱比快速傅里叶变换用220时间步数据得到的强度谱更精确.采用这一Padé近似,光子晶体平板结构中不同波矢对应的模式频率和品质因子及其能带结构可以在很短的FDTD输出结果下得出.另外,Padé近似也用于计算光子晶体微腔的模式频率和品质因子.     

利用一种修正FDTD计算带状倾斜间隙的输入阻抗

利用一种修正FDTD（时域有限差分法）对带状倾斜间隙的输入阻抗进行了分析，间隙边界与网格成一定的角度。并同原始FDTD的计算结果和MWO仿真结果进行了比较。结果表明，相同网格划分下，该修正FDTD的计算结果要精确得多；在相同的精度下，修正FDTD的单位网格长度可以是原始FDTD的几倍，且计算时间大大减少。     

碰撞等离子体的高阶FDTD算法

给出了电磁波在均匀、碰撞等离子体中传播的四阶时间和四阶空间FDTD算法.该算法比Yee氏FDTD算法每一个网格每一维增加一个存储单元,与常规的二阶等离子体FDTD算法相同.由于采用四阶时间和四阶空间近似,因此该算法能有效地减小数字色散误差,其频带宽度比二阶算法的频带宽度更宽.为了验证该高阶算法的正确性,对均匀、碰撞等离子体平板的电磁波反射系数进行了计算,并与解析结果、二阶FDTD计算结果进行了比较,证明了该算法的高效和精确.     

一种基于FDTD的目标双站RCS计算方法及其应用

提出了一种基于FDTD方法的双站RCS计算方法即瞬态外推时谐场的离散傅立叶变换方法。此法不仅为工程应用提供方便,而且节约了计算时间、提高了计算的精度;文中针对FDTD复杂目标建模给出了一种基于3ds max的建模方法,这种建模方法可以对复杂目标实现快速、准确、可视化建模。运用上述方法,计算了典型目标和复杂目标双站RCS。算例结果表明,该方法是可行的。     

计算电离层VLF波传输特性的时域有限差分算法

在星载甚低频( VLF)通信技术中,研究甚低频信号在电离层中的传输特性具有重要意义。现有的利用时域有限差分( FDTD)算法研究电离层传输特性大多基于高频脉冲信号,且传播模型相对粗略,计算存在一定误差。为此,建立了更为精确的电离层各向异性传播模型,对常规的FDTD算法引入变步长因子,并用该算法对VLF波在电离层中的场强衰减进行了数值计算,研究了昼夜变化及频率对其传输特性的影响。仿真结果与卫星实测数据对比表明：与常规的FDTD算法以及全波分析方法相比,引入变步长因子的FDTD算法精度更高;在VLF频段,降低频率有利于电磁波穿透电离层,且白天的衰减明显大于夜间;VLF波在射入电离层并穿透D层时衰减严重(30~40 dB),约为F1层中衰减的3倍。     

时域有限差分法结合Pade逼近快速获取介质柱宽带RCS频率响应

由于时域信号的计算是在散射体近区内进行的，远区散射场的计算是通过近远场的变换而进行的。采用FDTD法计算散射体的宽频带RCS频率响应时，如果采用频域变换法，需要在很多频点上进行近远场变换计算。为此，本文引入Pade逼近，对FDTD法计算获得的、稀疏的RCS频率响应进行逼近，然后用获得的Pade有理逼近式宽频带RCS频率响应。计算结果表明Pade有理逼近式能很好地逼近FDTD法精确计算的曲线，同时计算速度可加快十多倍。     

FDTDSIBC混合方法计算近地导线表面电流

通过在FDTD方法中引进时域表面阻抗界条件来研究瞬态电磁脉冲对有耗地面附近电缆线耦合问题。由频域表面阻抗出发通过拉氏变换得到时域表面阻抗边界条件（SIBC）,并将这种边界条件应用于FDTD方法中来模拟有耗地面的反射。计算结果表明了些方法的有效性。     

遗传算法与FDTD优化设计智能天线阵

研究了遗传算法(GA)和时域有限差分法(FDTD)结合来优化智能天线阵列。采用FDTD精确分析考虑互耦影响的智能天线阵,然后结合遗传算法以信噪比为优化基准对加权向量和天线的结构进行了一体化的优化设计,使用Fortran和MATLAB混合编程,优化设计了均匀直线阵和圆形智能天线阵。最后,通过实验天线验证了其有效性。     

计算电大尺寸建筑物内电波场强的PSTD方法

本文采用一种新的时域数值方法－伪谱时域（ＰＳＴＤ）法来计算电大尺寸建筑物内电波场强。提出了由初始条件技术和一维ＰＳＴＤ方程对入射平面波脉冲进行模拟,并利用纯散射场法和线性插值把平面波引入求解问题空间,有效地解决了ＰＳＴＤ方法中入射波设置问题。数值结果表明这种新方法用于模拟电大尺寸建筑物内电波场强的精度和有效性。     

用3D-FDTD法分析用于近场光存储的光纤探针电磁波传输特性

提高近场光存储的存储信息密度的关键主要在于掌握近场存储光纤探针的透光率、近场光斑直径尺寸以及场梯度等近场物理量。采用三维时域有限差分 (3D FDTD)法分析了可用于近场光存储的光纤探针尖的光学性质 ,对不同类型光纤的近场光场分布进行了数值计算 ,给出结果并进行比较 ,从光学性质的角度对其在近场光存储中的应用加以讨论。完全镀膜光纤尖在极近场处的光斑可获得 10nm的尺寸 ,远小于传统光纤光学聚焦的光斑尺寸大小。     

FDTD近场到远场的时域转换

对FDTD中近区场向远区场的转换方法作了讨论,具有分析了时域的转换方法,在理论上说明了该方法的可行性,给出了具体的转换步骤,并用典型的计算实例验证其正确性。该方法为FDTD在宽频领域的应用提供了方便,拓宽了应用范围。     

用于生物组织电特性重建的探头研究

对适用于分层生物组织电特性重建的宽带同轴贴片探头进行了研究.采用时域有限差分(FDTD)法分析了同轴贴片探头在三层生物组织中的场分布,结合遗传算法(GA)优化了探头的尺寸.优化设计出的圆形同轴贴片探头具有轴对称特点,辐射近场在生物组织中透入深、分布集中,反射系数的频率响应特性好,适用于局部分层生物组织电特性的重建,实验证明探头的设计优化是正确的.     

UPML媒质中无条件稳定的二维ADI-FDTD方法

对单轴各向异性PML（UPML）媒质中二维TM波的交变方向隐式时域有限差分方向（ADI-FDTD），通过计算实例表明，ADI-FDTD方法在UMPL媒质中是无条件稳定的，其时间步长不受CFL稳定性条件的限制，并且当计算区域内具有精细差分网格时，其计算效率明显优于传统的时域有限差分方向（FDTD）。     

Digital filtering technique for the FDTD implementation of the anisotropic perfectly matched layer

A new algorithm is presented for the finite difference time domain (FDTD) implementation of the anisotropic perfectly matched layer (PML) using the digital signal processing. The algorithm is based on modeling the anisotropic PML region as a set of infinite-impulse response (IIR) digital filters. The advantage of the proposed method is that it allows direct FDTD implementation of Maxwell's equations in the PML region. In addition, the formulations are implemented using D and B fields rather than E and H, and this allows the PML to be independent from the material properties of the FDTD computational domains. Numerical tests have been carried out in two dimensions to validate the formulations.