Pade型双向抛物方程及其在室内电波传播问题中的应用研究

针对室内垂直墙面、家具等对电磁波后向反射较大的问题,提出了Pade型双向抛物方程,在增大抛物方程计算角度的同时提高了室内场计算的精度.利用Crank-Nicolson有限差分法推导了Pade型双向抛物方程的离散差分格式,同时,通过对室内天花板和地板采用阻抗边界条件,导出了上下边界场满足的有限差分格式,与射线跟踪法的对比验证了边界处理的正确性.采用双向抛物方程仿真了包含家具的单层单建筑物存在时室内电磁波的传播特性,结果表明,双向抛物方程的仿真结果是可靠的,其符合现实物理规律,最后基于该双向抛物方程模型模拟和分析了存在二栋双层建筑物时室内的电磁波分布特性.     

抛物方程模型在海上电波传播中的应用

针对舰载雷达探测威力预报,推导了电磁波传播的抛物型方程模型.该模型基于修正平坦地面的抛物型方程,并使用分步Fourier算法求解,能够计算舰载雷达在空间各点的传播损耗和检测概率.计算结果同舰载雷达的实际观测值进行比较,表明两者之间有较好的吻合.     

森林中电波传播的抛物方程法

抛物方程法能处理非均匀介质环境中的电波传播问题,并可用FFT步进算法快速求解,在电波传播中得到了广泛运用.该文用抛物方程法求解了森林中的电波传播问题,并将计算结果与Tamir侧面波模型的结果进行比较,二者吻合很好.最后用抛物方程法分析了森林中电波传播的特性.     

基于抛物方程法的粗糙海面电波传播分析

提出了一种改进阻抗边界条件的方法,并用格林函数法求解抛物方程的初始解:从而提高了抛物方程法的稳定性与精确度.最后基于抛物方程法分析了粗糙海面上的电波传播特性,得到的结果与Miller-Brown模型进行对比,结果吻合很好.     

电磁波在对流层中传播的抛物化方程的有限差分解法

本文用箱式格式的有限差分法求解了电磁波在对流层中传播的抛物化波动方程。文中给出了该隐式格式的相容性、稳定性以及收敛性的证明和算例。典型算例表明，本文的方法可准确计算大气波导沿高度和距离方向变化的影响，较之目前普遍使用的傅立叶分裂步方法具有准确和处理边界条件方便之优点。     

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。     

多刃峰环境无线电波传播预测的双向抛物方程法

基于迭代双向抛物方程法求解了单刃峰和多刃峰环境下的前向和后向电波传播。对单刃峰,将双向与单向抛物方程法的数值结果做了比较,并分析了刃峰的位置和高度对后向反射场的影响。对多刃峰,采用迭代步进的双向抛物方程法计算相邻刃峰间的电波传播,并将数值结果与单向抛物方程法的结果进行对比。双向抛物方程法能计算出无线电波的前向传播场和后向传播场叠加的总场,比单向抛物方程法的预测结果更准确。     

电磁波在对流层中传播的抛物化方程的有限差分解法

本文用箱式格式的有限差分法求解了电磁波在对流层中传播的抛物化波动方程。文中给出了该隐式格式的相容性、稳定性以及收敛性的证明和算例。典型算例表明,本文的方法可准确计算大气波导沿高度和距离方向变化的影响,较之目前普遍使用的傅立叶分裂步方法具有准确和处理边界条件方便之优点。     

基于抛物方程法的部分森林覆盖山区电波传播分析

基于Fourier分步步进法的抛物方程模型求解了山区不规则地形部分森林覆盖环境的电波传播,并分析了森林对电波传播的影响.模型中为了简化边界条件,地形用分段线性函数来近似.然后预测了一个山区部分针叶林覆盖环境的电波传播,得到的结果与实测数据进行对比,二者吻合很好.最后对算法的稳定性与误差进行了分析,本文的模型能处理不规则地形、森林等复杂环境且算法效率高.     

基于抛物方程的电波相位预测方法

针对大气波导和不规则地形等复杂环境下的电波传播相位预测,研究了基于抛物方程(PE)的相位计算方法,并通过与理想导体平面上自由空间条件下几何光学双射线模型计算的传播相位对比,对该相位计算方法进行了验证.在此基础上,利用PE方法计算的幅度和相位,研究了大气波导对脉冲信号传播的影响.     

双向抛物方程的并行方法研究

提出了基于OpenMP(Open Multi Processing)的双向抛物方程并行方法,可快速求解多障碍物环境中的电波传播问题.分别以双刃峰环境和十五刃峰环境为例,验证了并行双向抛物方程的正确性和高效性.计算结果表明：在具有16个计算核心的计算机上,采用并行方法后,双向抛物方程的计算速度提升了8.8倍,有效地提高了仿真效率;最后,采用并行双向抛物方程模拟了实际地形中全球移动通信系统GSM(Global System for Mobile Communication)基站天线的电磁覆盖特性,数值结果表明该方法具有很好的加速效果.     

电波传播抛物方程模型在航空通信中的应用

针对航空通信中电波传播损耗预测需要满足精确性、实时性及复杂环境适应性的要求,在分析电波传播损耗对航空通信系统作用范围的影响基础上,采用抛物方程模型研究了航空通信中电波在空间区域的传播特性。该模型利用分步傅里叶算法实现快速求解,采用边界平移法处理复杂地形边界,并通过非均匀网格技术提高空间任意一点的场强计算精度,从而改善了复杂环境下电波传播损耗预测的精确性和实时性。将该模型应用于真实地形环境下的航空通信仿真算例中,仿真结果表明：该模型能有效预测复杂环境下电波的传播损耗,评估在正常通信条件下飞行器的飞行范围、最大飞行距离以及最低飞行高度等性能。     

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.     

电波传播的抛物方程近似分析法

文中提出了一种电波传播模式分析方法. 通过对PJ (Paulus-Jeske)波导进行参数估计,实现蒸发波导的完备性建模;采用抛物方程法分析气象环境中的二维电波传播路径损耗分布,利用最大值池化降低数据量,并采用自适应聚类分析实现电波传播模式分析,进而建立海杂波衰减规律与电波传播模式之间的映射,统计条件概率. 结果表明,蒸发波导环境下海杂波衰减与电波传播模式之间具有相关性,分析结果能够展示蒸发波导中的电波传播模式,并且能够为海杂波反演大气波导提供先验条件概率分析.     

基于双向抛物方程模型的雷达低角跟踪误差分析

针对雷达跟踪低空目标受地理环境影响的仰角估计误差问题,提出了一种基于双向抛物方程(twoway parabolic equation, 2WPE)模型的低角跟踪误差分析方法.采用2WPE建立综合考虑复杂地理条件和雷达参数影响的多径效应模型,分析电波与环境的相互作用机理,计算获得环境传播因子,将其引入传统测角模型,使之具备复杂地理环境下的确定性仿真分析能力.仿真计算了平滑海面、起伏地形等典型环境下的低角跟踪误差,结果表明：雷达发射波束宽度、雷达信号频率及雷达站周围的地理环境都对仰角估计误差有着较大影响.本文提出的方法原理简单、易于实现,在雷达低角跟踪及其抗多径干扰领域具有广阔的应用前景.     

Modeling electromagnetic wave propagation in the troposphere usingthe parabolic equation

A computational method is described for predicting electromagnetic wave propagation in the troposphere using the parabolic approximation of the Helmholtz wave equation. The model represents propagation over a spherical, finitely conducting Earth and allows specification of frequency, polarization, antenna pattern, antenna altitude, and elevation angle. The method enables calculations to be performed using either ideal or measured refractivity profiles that vary in both altitude and range. A brief discussion of the theoretical formulation and computational implementation of the propagation model is presented, followed by examples that demonstrate various features. Example calculations include 3-GHz propagation over a calm sea in the presence of both range-dependent and range-independent surface-based ducts as well as in standard atmosphere conditions. Comparisons with two other propagation models are also discussed     

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。     

电波环境及微波超视距传播

为衡量海上蒸发波导环境下的超视距通信系统性能,提出了一种超视距信道建模方法及容量估计方案. 基于蒸发波导折射率模型和抛物方程（parabolic equation, PE）模型研究电波沿海面蒸发波导信道传播的大尺度衰落特性,结合统计性模型研究其小尺度衰落特性,形成基于电磁仿真和统计规律的混合蒸发波导信道模型,并由此推导出系统信道容量的估算方案. 对实际海面传播环境进行电磁建模,计算了蒸发波导环境中的路径损耗分布和多天线系统的信道容量,量化了使用多输入多输出（multiple-input multiple-output, MIMO）技术带来的超视距传播性能提升. 仿真结果表明,在蒸发波导环境中采用MIMO技术能够有效地提升信道容量,实现较好的超视距传播效果. 本文结果对海上超视距通信系统的应用及性能评估具有重要意义.     

3D parabolic equation model of EM wave propagation in tunnels

To describe radio wave propagation in curved oversized lossy waveguides of arbitrary cross-section, a vectorial parabolic equation (PE) has been derived and applied to modelling UHF/VHF radio communication in tunnels. Numerical results are presented for curved tunnels with rectangular cross-section.