用于电磁波多尺度问题求解的高效FDTD-PITD混合算法北大核心CSCD

针对电磁波多尺度问题的高效仿真需求,提出了基于亚网格技术的时域有限差分(FDTD)方法与时域精细积分(PITD)方法的混合数值算法。该混合算法的基本思想是采用局部亚网格技术分别对精细结构区域以及其他区域进行剖分,并应用FDTD方法和PITD方法分别对粗网格区域与细网格区域进行求解,同时构建信息交互策略交换细网格区域与粗网格区域的计算信息。一方面该方法减少了电磁波多尺度问题的网格剖分数目,显著降低了内存需求;另一方面由于应用于细网格区域的PITD方法不受Courant-Friedrich-Levy(CFL)数值稳定性条件的限制,该混合方法能够采用较大的时间步长进行仿真,减少了迭代步数以及CPU执行时间。数值计算结果验证了混合算法的稳定性、可行性以及高效性。     

区域分解时域有限差分方法(DD-FDTD)及其在散射问题中的应用

本文提出一种区域分解的时域有限差分算法(DD-FDTD).依据待解问题的特点,把待解问题分解为几个子区域,在各个子区域中,采用适合于该区域的共形网格进行划分计算,通过一种有效的信息传递方案,把各个子区域综合起来,获得原问题的解.通过采用这种方法,一个复杂的问题可以得到简化,从而变得适于求解,同时,共形网格和精确的信息传递方案的使用,大幅度提高了计算精度.文中,用该算法对二维电磁散射问题进行了分析计算,获得了精确的计算结果.     

时域有限面积法解手征介质涂层导体柱的电磁散射

本文将时域有限面积法推广应用于研究任意截面复合手征介质涂层导体柱的电磁散射问题,建立了数值求解复合手征介质问题的时域基本方程.本文使用正交贴体计算网格,并选用适合正交曲线坐标系的二阶精度吸收边界条件,提高了计算精度.对典型的复合手征介质涂层导体柱的RCS计算表明,数值计算结果与级数解相吻合.     

峡谷型分区域复合粗糙面电磁散射特性研究

提出了一种分区域复合表面模型来描述峡谷环境的天然腔型结构,研究了峡谷型分区域复合粗糙面的电磁散射特性。采用蒙特卡罗方法,利用高斯谱函数模拟峡谷环境的陆地粗糙面,利用Pierson-Moskowitz(PM)海洋谱模拟峡谷的海面部分,交界处运用加权反正切函数平滑处理,建立了峡谷型分区域复合粗糙面模型。考虑到自然环境中峡谷所具备的天然腔型结构,引入射线密度归一化(RDN)思想,采用改进射线弹跳法与物理光学法的混合方法,计算峡谷型分区域复合粗糙面的电磁散射特性。对比了陆地粗糙面、海面和峡谷型分区域复合粗糙面的电磁散射特性,计算了峡谷型分区域复合粗糙面的散射系数,并讨论了峡谷开口范围、陆地粗糙面的均方根高度和相关长度对峡谷型分区域复合粗糙面电磁散射特性的影响。仿真结果对于反演峡谷环境的电磁特性以及遥感、探测具有借鉴意义。     

各向异性材料部分涂覆导体的散射特性研究

利用物理光学法(PO)与有限元法(FEM)混合方法,研究了有各向异性媒质局部涂覆的电大导体目标的电磁散射问题.在有复杂媒质涂覆的电小结构区域采用有限元法,在未涂覆媒质的电大导体区域采用物理光学法结合等效电磁流法.将两部分区域的边界进行消隐处理,考虑耦合效应,并利用共同的等相位面,将不同区域产生的散射场矢量叠加得到总散射场.文中的实例结果与传统的FEM很好的一致,说明了该方法的有效性和精确性.     

BCGs-FFT结合BP神经网络反演金属介质复合柱体目标参数

利用双共轭梯度-快速傅里叶变换方法（BCGs-FFT）结合BP神经网络技术研究了金属介质复合结构柱体目标的电磁逆散射问题.先用BCGs-FFT方法计算了复合结构目标的正散射问题,得到不同目标参数下的多个观测点上的散射电场,以此作为训练样本提供给BP网络,经过适当的离线训练,再以新的散射电场作为网络的输入,实时重构了金属介质复合结构目标的几何、电磁参数.数值结果显示了该方法的有效性.     

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.     

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.     

地表目标的复合散射法及其SAR成像分析

本文研究了复合激励方法在电磁散射计算中的应用,此方法首先分析地面的散射,再将地面的散射与入射波一起作为激励作用于目标,从而得到目标的电磁散射信号.文章分析了地表背景下车体的电磁散射,计算了目标的RCS和SAR成像,并与试验作了对比,两者吻合较好.     

遗传算法和多重网格在两步线性反演中的应用

基于扩展玻恩近似和电场积分方程,建立起非线性反演方程,然后应用两步线性反演方法进行迭代反演.在反演过程中,采用多重网格技术将待反演区域的离散网格从粗网格逐渐推演到细网格.在迭代前期,待反演区被离散为粗网格,利用实数编码的遗传算法对病态方程进行优化反演,并将其迭代反演结果作为迭代后期的初始值.在迭代后期,待反演区被离散成细网格,则采用共轭梯度(CG)法求解未知量较多的矩阵方程.二维轴对称非均匀介质剖面分布的反演结果表明,本文方法可反演高对比度的散射目标,具有较好的稳定性.     

基于FDTD算法的新型亚网格技术

提出了一种基于空间滤波（Spatial Filtering-Finite-Difference Time-Domain,SF-FDTD）算法的亚网格技术,使得FDTD算法的Courant-Friedrich-Levy（CFL）稳定性条件可通过空间频域滤波操作得以提高,从而获得高稳定度FDTD算法.进一步将SF-FDTD算法应用到亚网格技术中,可使亚网格区域时间步长的选取取与粗网格一致,从而极大地提高了计算效率.数值计算结果表明,在求解带有精细结构的电磁问题上,所提算法具有较高的准确性和有效性.     

Optimal finite-difference sub-gridding techniques applied to theHelmholtz equation

Since the spatial resolution of a uniform grid determines in part the accuracy of a given simulation, it must be judiciously chosen. In some small region of the computation domain, a fine grid density may be needed, while in the remainder of the domain, a coarser grid is acceptable. It would be preferable if a coarse resolution could be used over the majority of the computational domain, while locally using a finer resolution around the problem areas. In this presentation, a systematic method is presented that shows how to optimally choose the finite-difference coefficients for the transition region from a coarse to a fine grid. Results are presented for two-dimensional problems and for specific stencils. The ideas can then be applied to any dimension and any desired stencil in a straightforward manner. The sub-gridding methods are verified for accuracy through a study of scattering from curved geometries and propagation through dense penetrable materials     

抛物方程方法的非均匀网格技术研究

为了快速准确地求解大尺度区域环境中存在局部精细结构的电波传播问题,研究了抛物方程方法的非均匀网格技术.利用该技术求解了标准大气结构中不规则地形上的电波传播问题,研究了基于该技术计算传统抛物方程非整格点场值的方法.算例结果表明：非均匀网格抛物方程方法相较于均匀细网格结构,其网格空间下降达68%,计算时间减少了71%,而相对于均匀粗网格结构则具有更高的计算精度.因此,采用非均匀网格的抛物方程方法能在保证计算精度的同时,减少计算所占内存及所需时间,极大地提高了计算效率,适用于求解复杂环境中的电波传播问题.     

二维多导体柱电磁散射特性的特征基函数法分析

特征基函数法是近两年提出来的一种求解电磁散射问题的有效方法,该方法使用的特征基函数不受传统矩量法离散尺寸的限制,因而可以大大减小要求解的矩阵方程。应用特征基函数法分析了二维多导体柱的电磁散射特性,计算了多个无限长导电椭圆柱和方柱的雷达散射截面,结果表明特征基函数法的计算结果与传统矩量法的计算结果吻合良好,而计算量却大为减少。     

A new wire node for modeling thin wires in electromagnetic fieldproblems solved by transmission line modeling

A three-dimensional wire node for the numerical solution of electromagnetic field problems by transmission line modeling is discussed. The wire node can represent thin wires in a coarse mesh, thus substantially increasing computational efficiency. The scattering matrix for the node is given, together with a simulation result and comparisons with another method     

A novel subgridding scheme based on a combination of thefinite-element and finite-difference time-domain methods

A simple and versatile local mesh refinement scheme, based on the hybridization of the finite-element (FE) and the finite-difference time-domain (FDTD) algorithms, is presented. The scheme achieves considerable flexibility in subgridding by using a transition region between the coarse and fine FDTD grids, meshed according to an unstructured grid, and solved by means of the FE method in the TD. An interpolation scheme in the time domain, which allows the use of different time steps in the coarse and fine mesh regions, is included in the paper     

抛物方程方法的亚网格模型及其应用研究

该文在抛物方程非均匀网格技术的基础上,提出了抛物方程方法的亚网格模型,并给出了该亚网格模型的具体构建方法,以快速准确地求解大尺度复杂电磁环境中存在关键目标的电波传播问题。通过对存在强散射体的复杂电磁环境中电磁波的分布特性进行模拟,探讨了抛物方程亚网格技术的高效性。结果表明：与细网格相比,亚网格技术使得抛物方程的计算速度提升了4.57倍,网格空间数下降了86.64%,且较非均匀网格具有更高的计算精度。可见,抛物方程的亚网格模型能够极大地提升抛物方程的仿真效率。     

分形随机粗糙表面的电磁散射研究

本文利用数值方法研究分形随机粗糙表面的电磁散射问题。 应用矩量法研究分形随机粗糙表面的电磁散射可以使我们获得较为精确的数值结果。但是,对于表面散射,应用矩量法时,表面未知变量的数目非常大,即使对于一维表面也需要几千个未知变量。当我们求解矩阵方程时,计算机对求解的问题有几个限制,一个是内存的限制,一个是速度的限制。为了克服内存的限制,发展了许多迭代数值算法。本文发展了一种新的数值迭代方法.利用这一方法,我们对分形随机粗糙表面的电磁散射问题进行了研究, 并与矩阵反演方法进行了比较.所得结果表明,这种新的迭代法具有很好的收敛性。     

On the electromagnetic scattering from infinite rectangular grids with finite conductivity

-The development of a new numerical technique for the analysis of electromagnetic scattering from a rectangular wire (or strip) mesh. According to this technique the conjugate gradient method (CGM) and the fast Fourier transform (FFT) are used to solved for the aperture fields and the induced current densities. The method is efficient because 1) it makes use of the fast Fourier transform, 2) it converts a set of integrodifferential equations into a set of algebraic equations, and 3) it does not require inversion of any matrices. Unlike the moment method, the spectral iteration approach (SIT), and the averaged boundary conditions method, this technique can be used for arbitrary size and spacing between adjacent strips. The equivalent radius principle is used to determine the reflection coefficient from a wire mesh. Results, examples, and comparisons of this method with other methods support the validity of the algorithm.