基于GPU的并行FDTD方法在二维粗糙面散射中的应用

利用显卡(Graphics Processing Unit, GPU)加速时域有限差分(Finite-Difference Time Domain, FDTD)法计算二维粗糙面的双站散射系数, 介绍了FDTD的理论公式以及计算模型.采用各向异性完全匹配层(Uniaxial Perfectly Matched Layer, UPML)截断FDTD计算区域.重点讨论了基于GPU的并行FDTD计算粗糙面双站散射系数的并行设计方案计算流程.在NVIDIA GeForce GTX 570显卡上获得了50.7×的加速比.结果表明:通过对FDTD计算粗糙面散射问题的加速, 极大地提高了计算效率.     

应用UPML的FDTD法计算平面微带电路

采用非分裂式理想匹配层（UPML）的时域有限差分（FDTD）法对矩形微带天线及低通滤波器等微带电路进行了分析计算,给出了时域和频域的仿真结果。与其他的理想匹配层（PML）相比,UPML利用D和H,物理概念明确,将PML区域与FDTD计算域隔离开来,并且减少了PML吸收边界计算所占用的存储量。从仿真结果看,该方法有效且极大减少了迭代次数。     

基于Split-Field FDTD法的近埋地无限长散射体二维算法

提出了一种基于周期结构split-field FDTD法的近埋地无限长散射体二维算法.该方法根据散射体轴向均匀性将三维split-field FDTD法转化为二维算法,减少了内存和计算量,可分析斜入射脉冲波照射下近地、埋地无限长散射体散射问题.为了进一步减小计算量,连接边界上的入射波(地上为原始入射波和反射波的叠加,地下为透射波)采用一维FDTD法引入.吸收边界采用了UPML匹配层,导出了适用于split-field FDTD算法与有耗介质匹配的UPML方程.通过数值算例,验证了此二维算法应用于近埋地无限长散射体问题的有效性和实用性.     

ADI-FDTD在二维散射问题中的应用

利用交替隐式时域有限差分(ADI—FDTD)这一新方法计算二维电磁散射问题。研究了ADI—FDTD方法的入射波设置、连接边界条件、PML吸收边界和近远场变换等关键技术。与传统FDTD方法相比，ADI—FDTD的时间步长不受时间步长和空间步长的稳定性条件(CFL约束条件)限制。在该方法中，可选取较大的时间步长进而提高计算效率。最后还给出了金属和介质柱散射截面的数值算例，证实了ADI—FDTD方法处理散射问题的有效性和实用性。     

三维新型非分裂场完全匹配层吸收边界条件

研究了一种3D新型时域有限差分法(FDTD)非分裂场近似完全匹配层(NPML)吸收边界。在直角坐标系中,通过直接对麦克斯韦方程组中的空间偏导的变量进行空间坐标拉伸,得到三维非分裂场的NPML吸收边界,这种吸收边界相对于PML吸收边界编程实现简单,编程复杂度低。通过对三维算例的电磁散射分析,验证了NPML吸收边界的正确性。计算结果表明了该方法是一个完美的吸收边界,可以用于实际目标的电磁散射问题分析。     

高频地波雷达海面舰船RCS预估

为了有效预估高频雷达海面目标的短波散射特性,采用两媒质半宽间FDTD方法对海面舰船目标电磁建模.通过对有限长贴地介质圆柱进行电磁建模,证明了该方法计算结果的准确性.最后,以海面某海监船为研究对象,分析其电磁散射情况,并将计算结果与实验观测结果进行了对比,结果表明:两者吻合良好.     

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。     

三维电磁散射的网络并行FDTD计算和加速比分析

应用计算机局域网,采用基于消息传递PVM平台和区域分解技术,实现了三维电磁散射的并行FDTD计算.给出了在FDTD两个相邻子区域交界面上所需要传递数据量的估算和分析.在一个实际的计算机局域网环境下,测试了网络并行FDTD计算三维机翼目标散射时的并行加速比和并行效率.实际上,并行加速比和效率不仅与局域网的硬件性能有关,而且与子区域的划分和PVM通信原语的使用等软件设计有关.最后,讨论并行计算中的附加通信量、网络通信性能和负载平衡对FDTD并行计算的影响.     

PML-FDTD及总场-散射场区连接边界条件在三维柱坐标系下的实现及应用

基于直接形式的麦克斯韦方程，在三维扩展柱坐标系下推导了完全匹配层吸收边界条件的时域有限差分表达式(UPML—FDTD)，将FDTD方法推广到三维柱坐标系中，并对其反射系数进行了测试。给出了柱坐标系下完整的总场一散射场区的连接边界条件以及平面波源的设置方法。最后利用这种方法模拟了平面波在自由空间中的传播过程，计算了理想导电圆柱体在TEM波照射下的散射方向图。     

FDTD中的一种新截断边界-STWBC

本文提出了一种新的边界条件:驻波-行波边界条件(STWBC).这种边界条件是在计算域外附加理想导电(磁)壁进行截断,运用反射原理,将边界处的驻波转化为行波,保持计算域内的行波状态,在有限空间内有效模拟出无限大的电磁散射空间.文中给出了该边界条件在FDTD中的差分迭代式,以及二维数值实验结果,并与PML边界和单向波边界进行了比较.由于该边界比单向波边界所需计算空间小,数值稳定性好,同时不象PML边界,需要进行场量分离和附加额外的吸收层,因此计算效率较高.     

The finite-element method with domain decomposition for electromagnetic bistatic scattering from the comprehensive model of a ship on and a target above a large-scale rough sea surface

The domain decomposition method (DDM) and finite-element method (FEM) are developed for numerical solution of bistatic scattering from the composite model of a ship on and a target above a two-dimensional (2-D) randomly rough sea surface under an electromagnetic (EM) wave incidence at low grazing angle. The coupling boundary conditions on the interface between two adjacent subdomains are derived when the conformal perfectly matched layer is used as the truncation boundary of the FEM, and the final coupling matrices are obtained by using the inward-looking approach. Because the computational domain with several millions of unknowns can be solved on a personal computer, our FEM-DDM method is powerful for scattering simulation of a very large-scale rough surface with targets presence. In addition to reduction of the memory storage, the superiority of this method in computing time over the conventional FEM is also demonstrated. Our codes are examined by the FEM without DDM, the forward-backward method (FBM), and generalized FBM for some simple cases. Numerical simulations of bistatic scattering from a comprehensive model of a ship on and a target above the 2-D randomly rough perfectly conducting sea surface in large electric scale are obtained, and its functional dependence on many physical parameters of the targets and oceanic status are discussed.     

基于辛算法海面与目标电磁散射研究

为了克服时域有限差分（FDTD）的缺陷我们引入辛算法理论（SFDTD）,结合辛算法的稳定性分析了海面与其上方目标的复合电磁散射特性,并分析了入射角度,风速等对复合散射特性的影响,首先给出了Weiersstrass分形海面模型,数值结果表明分维度和风速的变化都会引起海面的粗糙程度很大的变化,同时目标的存在对海面散射影响很大,它使得海面的散射能量会有相应的增加,并且风速的增大使得海面粗糙度增大,这样在其他方向上散射逐渐增强,而在镜像方向上的增强越来越不明显。     

Marine Communications Channel Modeling Using the Finite-Difference Time Domain Method

Broad area maritime surveillance (BAMS) is a current interest area for the application of unmanned aerial vehicles (UAVs). Robust communications is a primary concern that impedes the general acceptance of UAVs by the Federal Aviation Administration (FAA), as loss of communications link is generally perceived as a loss of vehicular control. Thus, to gain an increased understanding of the communications channel UAVs' experience during low-level maritime operations, a channel-modeling effort using the finite-difference time domain method (FDTD) is conducted. The focus of this effort has been to assess the effects of sea surface shadowing conditions on the marine communications channel. A 2-D electromagnetic (EM) simulator has been developed, utilizing modified Pierson–Moskowitz (PM) spectral models to generate a random sea surface in a deep-water location from which multipath scattering is produced. Data analysis conducted on the transient EM simulation results has produced generalized path loss exponent, standard deviation, mean excess delay, and root mean square delay models as a function of frequency and observable sea surface height for fixed transmitter and receiver locations.      

用FDTD法分析和模拟三维空间电磁波的散射和传输

本文采用时域有限差分(FDTD)法计算并在PC机上模拟三维空间电磁波的散射和传输.散射体可为具有弯曲表面的三维物体,传输结构可为多介质的变向和分支型导波结构,时间波形可为单频定态波也可为任意脉冲波.在PC机上将散射近场和传输波场分布动态立体地模拟显示出来.边界上和不连续处的反射波、迅衰场、表面波和漏波等细微现象也能形象地显示出来.     

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。     

海水包裹空心椭球体的低频散射场计算及分析

为了分析水下金属壳体目标的散射场,提出了一种基于移位算子时域有限差分方法的加速计算方法.利用该方法对海水、空气和金属三种媒质材料进行了建模,并计算了水下金属椭球状壳体目标低频散射场的空间分布和起伏海面对低频电磁波传播的影响.通过数值算例测试了所提方法的加速性能,可以得到接近线性的加速比和95%以上的加速效率.计算结果表明,海面会影响水下壳体目标散射场的空间分布,特别是对于电场的空间分布影响比较大,并且由于水下电导率的存在导致海面上方散射场的传播速度要比海面下方的快.     

三维随机粗糙海面与舰船的复合电磁特性的高频方法分析研究

3维随机粗糙海面与其上方复杂目标复合电磁(EM)散射特性的建模与分析在微波遥感、目标识别、雷达成像、导弹制导等领域中有着重要的研究价值。该文主要研究了基于高频算法的随机粗糙海面及舰船的复合电磁散射特性,开发了PO-IPO混合方法,为3维随机粗糙海面与复杂目标一体化高效求解提供了新思路。文中分别使用了物理光学方法(PO)、迭代物理光学方法(IPO)、PO-PO以及PO-IPO混合方法对海面及舰船进行了建模与仿真,其中,引入锥形波来代替平面波作为发射源,锥形波可以更好地抑制粗糙面在边缘位置被突然截断而形成的电磁反射和边缘绕射等效应。从数值仿真结果中可以看出,PO-IPO混合方法可将复杂物体本身面元间以及粗糙海面与物体间的耦合作用考虑在内,因此PO-IPO可以作为一种有效的途径来快速获取随机粗糙海面及舰船的复合电磁散射特性。      

A new 2-D FDTD method applied to scattering by infinite objects with oblique incidence

A new two-dimensional (2-D) finite-difference time domain (FDTD) method applied to scattering by infinite objects with oblique incidence is proposed. 2-D Maxwell's equations, differential equations, and perfectly matched layer (PML) absorbing boundary conditions (ABC) are derived. The incident wave, computed by the 1-D FDTD method, is set on the connecting boundary. The accuracy and the efficiency of the proposed method have been verified by comparing the results of the split-field periodic FDTD method, the sine-cosine method, and the transmission line theory method with the proposed method.     

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.