面向工程应用的电磁散射特性建模关键问题研究

随着计算电磁学和计算机技术的迅速发展，电磁散射特性建模技术从算法研究向产品化、集成化、工程化发展.文中分析了探测、识别、伪装等实际工程应用中对电磁散射特性建模技术的具体需求，总结了几何建模、网格剖分、电磁计算和模型验证等建模流程中存在的关键问题与解决方式，以及电磁散射建模技术的发展特点.     

多尺度问题电磁特性叠层矩量法分析北大核心CSCD

论文提出了一种叠层矩量法分析多尺度目标电磁特性。论文采用矩量法直接计算强相互作用区域,多层矩阵压缩方法(MLMCM)和多层快速多极子方法(MLFMA)分别用于加速计算低频和高频作用区域。论文通过使用多分辨ILU(MR-ILU)预条件加速迭代求解矩量法离散多尺度目标产生的病态矩阵方程。通过分析实际多尺度目标电磁特性证明论文方法的有效性。     

智能电磁空间构建与应用

在梳理电磁物理空间认知概念模型基础上,针对电磁空间物理域和信息域不能有效融合以及电磁信息应用智能化不足两大问题,提出了智能电磁空间的概念。智能电磁空间必须具有表征、理解、预测和决策4种能力,其特征是以模型为核心,以软件为载体,高度依赖数据驱动,达到对物理世界的精准映射,为作战指挥和部队行动提供智能决策服务。从电磁空间信息组织机理着手,进一步解决多源异构物理—信息数据融合问题的研究思路,构建了智能电磁空间的技术架构,提出了结合GeoSOT的高维电磁网格数据(GeoSOT-ND)模型高维张量建模与计算、多域电磁空间感知与高效存储、全维电磁态势重构与智能推演、基于网格数据驱动的应用方法等亟待突破的关键技术及实现思路。     

复杂缝隙结构耦合特性数值仿真的等效方法

针对缝隙结构建模在计算精度与求解时间之间的矛盾,提出了一种基于转移阻抗的复杂缝隙等效建模方法,采用传输线矩阵法对大型方舱复杂缝隙结构的电磁耦合特性进行了仿真研究。仿真结果表明,该方法可大幅减少网格数量,有效缓解仿真精度和计算时间之间的矛盾。     

PCB上微带线的电磁耦合时域建模分析方法

基于时域有限差分方法和传输线方程,结合高效网格建模技术,文中提出了一种高效的时域建模算 法,它能有效解决微带线的电磁耦合建模问题,实现空间电磁场与微带线瞬态响应的同步计算。首先,结合经验公 式,计算得到微带线的单位长度分布参数,构建适用于微带线电磁耦合分析的传输线方程。然后,采用时域有限差 分(Finite-Difference Time-Domain, FDTD)方法,结合非均匀网格技术和自动网格生成技术,仿真得到微带线激励场, 并在每个时间步进上引入传输线方程获得等效分布源项。最后,对传输线方程使用FDTD 的中心差分格式进行离 散,实现微带线及其端接电路上瞬态响应的迭代求解。为了验证时域建模算法的正确性和高效性,通过自由空间和 屏蔽腔内PCB 上微带线电磁耦合的数值模拟,从计算精度和耗时两方面与传统FDTD 方法的计算结果进行了对比。     

应用按层积分矢量单元法进行多层RAM电磁散射计算

对多层RAM结构进行电磁散射计算时,为了获得精确的计算结果,需要对每层RAM进行精细网格划分,这将大大增加网格数量和计算规模.为此,本文结合曲边四边形矢量单元,应用按层积分方法进行单元计算,以单层整体建模代替多层建模,大幅度减少了网格数量,降低了计算规模.通过算例证实了这种按层积分矢量单元方法计算精度高,具有较好的工程应用价值.     

“高性能计算”课程在电磁仿真模拟领域的应用

经过多年的发展和应用,网格计算和高性能计算技术已经在电磁仿真模拟、生命科学、计算化学、石油与天然气勘探、气象和金融业等领域发挥了重要的作用。文章将重点叙述高性能计算技术在电磁仿真模拟领域的应用,并结合具体实例,论述高性能计算技术在金属微纳结构材料设计上的应用。     

基于频域广义传输矩阵方法的电磁散射特性分析

多尺度复杂电子系统的电磁场问题难以用单一的计算电磁学方法进行高效数值计算.基于区域分解方法和惠更斯等效原理，提出了频域广义传输矩阵（generalized transition matrix，GTM）方法:将系统分解为多个子模块，通过电场积分方程（electric field integreal equation，EFIE）把各个子模块的电磁特性进行提炼，再考虑所有子模块之间的电磁耦合，计算系统整体电磁场分布.GTM方法把多尺度问题转化为尺度相对比较单一的问题进行处理，在分析各种复合结构、非均匀各向异性介质、大型相控阵天线等电磁散射特性时，提供了灵活的解决方案.论文给出了GTM在手征介质、开口腔体以及Vivaldi相控阵天线电磁特性分析中的应用算例，当未知量个数压缩到原来的十分之一时，GTM计算结果与直接用矩量法（methed of moment，MoM）求解的计算结果非常吻合.GTM可以简洁地表示目标问题的电磁散射特征，与传统MoM相比，大幅度减少了基函数的数量，具有较高的计算精度和效率.     

电磁仿真软件总体设计技术

通过调研分析国外电磁仿真软件的架构设计方案,并充分考虑国内重大工程应用的特点和难点,设计了电磁计算软件系统架构.电磁计算软件系统分为积分方程法子系统和微分方程法子系统,主要由3个功能模块组成,包括前处理模块、计算模块和后处理模块.可实现几何建模、参数设置、材料赋值、网格生成、电磁计算、数据后处理等完整电磁仿真流程.     

电磁拓扑结合积分方程求解电磁脉冲传播问题

提出一种求解电磁脉冲传播与耦合问题的方法。该方法的思路是将电磁拓扑方法与时域积分方程算法相结合,前者提供方法论,后者实现具体计算。可以提高分析效率,增大可计算目标及区域的尺度,克服复杂电子信息系统直接进行电磁计算的困难,并充分利用时域积分方程的优点。阐述了电磁拓扑理论分析和解决问题的基本思路,归纳了应用电磁拓扑解决电磁脉冲传播与耦合问题的四个主要步骤。提出了电磁拓扑与电磁计算的结合方法,并研究了时域积分方程加速方法。     

微系统结构均匀化模型参数的确定方法研究

在对3D封装微系统进行力学仿真建模时,硅通孔(TSV)和微焊点等结构的多尺度效应明显,需要划分大量网格,通过合理的等效处理可以降低网格数量,提高仿真效率。常规的方形柱等效使得结构失去原有微观形貌,仿真误差增加。为此,针对实际微观形貌提出了一种等效均匀化模型力学参数的确定方法。基于弹性力学方法,推导了圆柱形貌特征的TSV硅基板层力学参数的等效计算公式。对鼓球形貌特征的微焊点/下填料层均匀化模型提出了分层思想的力学参数确定方法。与现有方法相比,该方法考虑了微系统特征结构的真实形貌特征,计算效率更高,计算结果的一致性更好。     

基于点云重建复杂城市建筑环境的电磁计算

在现代城市环境中,地形地貌地物复杂,精确评估电波传播效应十分困难. 针对传统城市建筑环境电磁计算物理建模不够精确的问题,提出利用多视角立体视觉的方法对城市复杂建筑环境进行基于点云的三维重建,获取精确的三角网格模型,并通过机器学习图像分割的方法获取城市环境边界电磁属性;在此基础上进行基于一致性绕射理论的射线追踪电磁计算,从而获取厦门大学翔安校区的电磁态势分布. 通过在不同分辨率网格模型上计算,并与COST231-Hata模型和实际测量结果对比,高分辨率网格模型的均方根误差为6.065 5 dB,证明了本文建模及计算方法的有效性.     

小波变换在指数粗糙表面电磁散射中的应用

研究了小波变换在指数粗糙表面电磁散射中的应用.在用矩量法研究电磁散射问题时,基函数的选择是一个非常重要的步骤.不同的基函数对问题的求解规模影响很大.利用小波变换中二尺度方程关系,通过对大尺度基函数和小波基函数求解相应的矩阵方程,然后由小尺度基函数与大尺度基函数以及小波基函数的关系,求出对应于小尺度基函数的矩量法解.该方法的优点是减少了矩阵方程求解的规模.     

复合网格法在电磁散射问题中的应用研究

复合网格方法采用区域分解算法的思想,将计算区域分为粗网格与细网格两个区域.在电磁散射问题中,细网格区域包含了微细结构的电磁散射信息.利用连接边界条件,将粗网格计算结果和细网格计算结果分步进行计算,从而得到包含有微细结构的电磁散射信息.该计算方法可以减少此类计算问题的计算量,所得结果与全部区域进行细网格划分的结果进行了比较,两种结果复合很好.     

基于涡结构的气动光学传输效应研究

湍流是具有多尺度特征的一种涡结构运动,而且大尺度涡结构是造成气动光学传输效应的主要原因.提出基于折射率场分别对不同尺度的涡结构进行光学传输特性建模.把湍流密度场转换为的折射率场等效为具有丰富纹理信息的灰度图像,进而对其进行多小波分解,计算每次分解的小波基系数的熵值,利用阈值判定低熵的为大尺度涡,高熵的为小尺度涡;再利用光线追迹法建立大尺度涡结构的光学传输模型,利用统计光学法建立小尺度涡结构的传输模型,最后得到综合的光学传输模型.该方法是根据湍流的物理结构进行建模,不仅能提高计算效率和计算精度,而且具有较高的工程实用价值.     

PE模型三维电磁环境计算方法研究

电磁环境计算是战场电磁环境预测仿真系统的核心,PE模型中只考虑了二维电波传播问题。基于GRID的二维地形剖面获取是PE模型三维电磁环境计算方法的基础,在此基础上文中研究了三维电磁环境计算方法的流程与步骤。采用ArcGIS软件中的ArcGlobe建立地理环境模型,给出了一种基于GRID型数字高程模型的三维电磁环境计算方法,分为地形剖面划分、剖面参数获取与计算、三维电磁场数据生成以及多辐射源电磁环境叠加4部分,有效地将二维PE扩展为三维情况,为仿真软件的设计实现奠定了基础。     

时域有限差分电磁建模系统的研究与设计

基于时域有限差分（FDTD）算法并利用计算机可视化技术，对目标系统进行电磁建模研究，并设计出一套具有丰富内建图形处理功能的网格生成软件。在本系统中通过对目标系统进行3D建模和电磁学问题描述，将生成的电磁建模文件输入FDTD仿真模块即可进行模拟分析计算，直观形象地观察到电磁场的分布状态、电磁波传播、透射、散射等现象。U型天线的建模实例表明该电磁建模系统准确、高效。     

人工电磁材料的多尺度分析

研究人工电磁材料多尺度均匀化的问题。在现有的人工材料均匀化理论中,通常不考虑矢量场的所有特性。鉴于周期结构的微尺度特性和矢量电磁场的散度与旋度性质,提出了一种新的矢量修正项描述微尺度结构的电磁特性,该修正项同时考虑了有旋场和有散场。对此修正项给出了一组新的微尺度方程组,利用该多尺度方程,采用基于棱边矢量基函数的有限元技术计算了复合材料的有效电磁参数和电场分布。与普通有限元方法相比,该方法可以有效地计算复合材料的有效电磁参数和电场分布。     

NURBS曲面在电大尺寸RCS计算应用中的改进

NURBS曲面建模技术的应用是电磁散射计算中的重要研究内容.基于NURBS控制网格的剖分和规划处理,简并相似的计算,提出一种将基于NURBS建模的曲面转化为分段Bez-ier面片的高效算法,简化了该过程的复杂度和计算量.结果表明该算法保持了良好的通用性和准确性,且曲面次数越高,控制顶点越多,在计算量上的优势越明显.     

近场电磁散射特点及其对建模要求

介绍了近场电磁散射问题,从电磁散射角度阐释当前对近场特性认识上的分歧,分析近场电磁散射问题中局部照射与探测器及动态过程关联密切等特点.根据近场特点提出了对建模中目标模型、电磁算法以及计算特性类型等的一般要求,同时提出了一种基于基础近场散射问题与探测器去相关的建模方式,并针对典型弹载雷达探测情况,给出了近场动态散射建模中运动模型、天线模型以及动态采样等具体要求.