基于柱坐标抛物方程的海上雷达覆盖范围研究

为预测雷达波在海面的全向传播特性,提出了基于柱坐标抛物方程(parabolic equation,PE)的电波传播模型,用于海上雷达覆盖范围的研究.从亥姆霍兹方程出发,推导出柱坐标系下的前向PE形式.再利用PE通解中三角函数的正交性,求解各电波传播模式的激励系数,结合分步傅里叶变换实现柱坐标PE的步进迭代算法,以预测电...     

基于PE模型的电波传播特性预测技术研究

PE模型已经被广泛地应用于电波传播特性预测技术的研究,并成为解决电波传播问题的主要工具。通过对抛物方程推导过程中由于对伪微分算子Q的处理而产生的误差进行分析,表明PE模型在预测小仰角的电波传播时具有很好的计算精度。对基于PE模型的电波传输损耗理论模型进行计算机仿真,得到电波传播损耗的理论计算值,通过与实测数据进行对比,验证了PE模型用于电波传播特性预测的正确性,并且对理论模型的计算结果稍微偏小的原因做了分析。     

基于全局透射边界条件的宽角抛物方程电波预测模型

提出了一种新型的基于全局透射边界条件（non-local boundary condition,NLBC）的Greene近似宽角抛物方程（wide-angle parabolic equation,WAPE）电波预测模型,用于求解对流层远距离复杂环境中的电磁波传播特性.采用有限差分法（finite difference method,FDM）求解WAPE得到了三对角线性方程组,可以快速地求解整个空间的电场分布,也可以对不规则的地表环境进行精确建模.本文提出的WAPE模型解决了传统的PE离轴传播角度偏小的问题,将电波的最大传播仰角提升至约50°,同时大大减小了计算区域中上边界吸收层的设置尺寸,从而提高了PE的计算效率.实验证明,当伪微分算子的相位误差不超过0.002时,Tappert、Claerbout和Greene近似形式得到的最大传播角分别为20°、35°和45°.最后,通过与经典的光学双射线模型进行对比,证明本文提出的基于NLBC的Greene近似WAPE模型的可计算传播仰角更大,对上边界处反射电磁波有良好的吸收效果.因此,本文的模型适用于对流层远距离复杂环境中电磁波传播特性的精确预测.     

抛物方程法在森林环境电波传播特性预测中的应用

为提高大区域森林环境电波传播特性预测的准确性,研究抛物方程（PE）法在森林环境电波传播特性预测中的应用,提出了基于抛物方程的森林模型。该模型采用PE法实现准确快速求解,考虑森林在垂直方向上的非均匀性,引入森林分层模型,将森林分为树冠、树干两个均匀有耗介质层,并根据森林区域的特性参数确定各有耗介质层的等效介电常数,相比于传统将森林等效为一个给定介电常数的均匀有耗介质层,能够更准确地描述森林对电波传播的影响。将其应用于三种常见绿叶林的电波传播特性预测中,仿真结果表明,该模型能够反映不同区域、不同植被种类的森林对电波传播的影响差异,有效预测大区域森林环境电波传播特性。     

智能反射面辅助的反向散射通信信道的传播模拟

为了解决引入智能反射面(IRS)后反向散射通信(BackCom)信道的传播模拟问题,该文提出一种基于抛物方程(PE)和矩量法(MoM)的高效混合数值方法。该方法将电大场景下IRS辅助信道的传播建模问题分解为电波传播与电磁散射两个子问题,分别采用PE和MoM进行求解。通过对视距和非视距场景下IRS辅助的信道进行模拟,探讨了PE-MoM混合求解技术的高效性。仿真结果表明,与MoM相比,所提算法的计算速度提升了6.46倍,计算资源消耗也下降了81%,且相对均方根误差仅为3.89%。对比结果表明所提出的PE-MoM方法能够在兼顾计算精度和计算效率的同时,实现IRS辅助的BackCom信道的传播模拟。     

复杂地形条件下电波传播特性预测

电磁环境计算是战场电磁环境预测仿真系统的核心,为了准确预测不同环境下的电波传播特性,从复杂地形条件展开研究,给出一种基于PE模型的电场强度计算方法,仿真比较了辐射源在不同地表类型下的传播损耗,仿真预测了复杂地形条件下电波传播特性,仿真结果表明地表电磁特性对传播损耗的影响较小,相比于地表电磁特性,不规则地形对电波传播影响更为明显。     

基于高阶时域有限差分算法的电磁波传播计算

利用FDTD(2,4)高阶时域有限差分(Finite-Difference Time-Domain,FDTD)算法并结合滑动窗口的思想,对电磁波传播特性进行了仿真计算. 采用的高阶FDTD算法在空间上达到四阶精度,与二阶精度的传统FDTD算法相比,在相同每波长采样数的条件下,数值色散误差能得到进一步的减少. 在源脉冲传播较长距离时,数值色散的减少使得时域下脉冲扩展现象得到改善,滑动子窗口仍然能包含着激励源脉冲的全部信息,从而可更加准确地计算长距离电波传播特性. 另外,在相同的数值色散误差容限下,每波长采样数比传统二阶FDTD方法有所减少,从而节省存储空间,加快计算速度.     

典型场景下电波传播特性建模

为了解决某些典型场景(如海上、山区、丘陵、城区)下无法使用已有基础模型来全面表达电波传播特性的问题,建立了一种在典型场景下,基于确定性抛物方程、适用于多个传输场景的统一电波传播模型。把典型场景等效为损耗介质层来求解边界条件,利用Fourier分步步进法得到相应解,然后得到电波在典型场景下的传播损耗,并进行了理论分析和实验验证。结果表明,在不同传输场景下,将统一电波传播模型与Miller-Brown模型、射线追踪模型进行比较,结果较吻合,验证了其正确性。这一结果对建立一种求解典型场景下电波传播衰落问题的统一电波传播模型是有帮助的。     

基于抛物方程的海上电波传播研究

抛物方程已经被广泛地应用于电波传播预测模型,并成为解决电磁波传播问题的主要工具。针对目前大多数预测模型处理粗糙海面的不足,引进了一种能包含海面阴影效应的粗糙度修正因子,并由于电波在海面上传播主要受到蒸发波导和粗糙海面的影响,结合抛物方程和蒸发波导理论对海面上的电波传播进行了研究,利用PE模型计算了电波在蒸发波导中不同条件下的传播损耗,并分析了蒸发波导和粗糙海面对电波传播的影响。     

部分森林覆盖山区电波传播特性预测的快速算法

为提高部分森林覆盖山区电波传播特性预测的时效性,提出了一种基于宽角抛物方程(PE)的快速预测算法。采用PE通过分步傅里叶变换(SSFT)求解;在SSFT步进迭代过程中,根据传播路径上森林的等效介电常数、地形的起伏情况,动态选择PE的水平步长。通过对部分森林覆盖的不规则地形条件下的电波传播特性进行仿真,探讨了该方法的可行性和有效性。结果表明：相比于均匀大步长算法,该方法更准确;而相比于均匀小步长算法,该方法能够保证抛物方程的计算精确度,同时极大地提高计算效率。     

区域导航对流层延迟误差修正模型研究

本文研究了电波大气折射理论，分析了传播误差因素，阐述了区域导航信号的传播路径与 GNSS 卫星导航的不同，论述了对流层延迟对区域导航信号测量精度的影响，设计了满足区域导航系统应用需求的对流层延迟误差修正模型，并通过仿真研究，验证了所设计区域导航对流层延迟误差修正模型的可行性，并给出了该模型在远距离低仰角和近距离高仰角下的误差修正能力。     

Modelling tropospheric ducting effects on VHF/UHF propagation

The application of the parabolic equation method to range-independent and range-dependent tropospheric propagation modelling problems is demonstrated. The parabolic equation is an approximation to the Helmholtz wave equation which allows progressive calculation of the propagated electromagnetic field as solution is stepped out in range. The solution method described is derived from a technique developed by R.H. Hardin and F.D. Tappert (1973) for application to underwater acoustics problems. This split step Fourier solution involves the discretization of the field with respect to height and the use of the fast Fourier transform at successive range points. The solution is stable, with errors being dependent on wavenumber, range step size, and the gradients of refractive index with respect to height and range. Advantages of this method over other methods used to evaluate the effects of ducting layers on tropospheric propagation are discussed     

分步Padé抛物方程的傅里叶变换解法研究

分步Padé抛物方程(Split-Step Padé Parabolic Equation, SSP-PE)是一种宽角近轴近似方法,可以精确计算传播角较大的电波传播.由于非均匀大气的折射效应的限制, SSP-PE难于利用傅里叶变换算法求解.因此,SSP-PE通常采用有限差分算法.但在计算雷达散射截面和城市小区短距电波传播的过程中,一般可以忽略大气的折射效应.不考虑大气折射,论文推导了SSP-PE的傅里叶变换解法.与有限差分算法相比,傅里叶变换解的计算效率更高.给出了理想导电边界条件下的数值算例,并比较了几何光学法和SSP-PE的计算结果,证明了傅里叶变换解的正确性.

     

抛物线方程中不规则地形的分段线性模型的研究与验证

主要研究了对流层电波传播过程中起伏地形的处理方法。阐述了抛物线方程中阶梯地形方法和分段线性方法,提出了新的初始场设置方法,并给出了算法。利用该方法,仿真计算了尖劈地形下电磁波传播问题,并与射线法和UTD方法的计算结果进行了比较。计算结果显示了分段线性方法的优越性。     

基于有限差分的大角度交叉波导光束传输法

采用有限差分光束传输法(FDBPM)分析光波在大角度交叉区域的传输过程,利用pad近似解决大角度传输问题;利用透明边界条件弥补边界光波反射现象,通过追赶法编程计算有限差分方程组,得到在一定光波导结构条件下传输损耗与交叉角度之间的关系。在此基础上,利用低压化学气相沉积技术在硅衬底上制作了二氧化硅交叉波导结构,实验结果表明有限差分光束传输法在分析大角度交叉时具有比较高的计算精度。