Bistatic scattering and transmitting through a fractal rough surface with high permittivity using the physics-based two-grid method in conjunction with the forward-backward method and spectrum acceleration algorithm

To numerically calculate bistatic scattering from a fractal rough surface with high permittivity, a comprehensive approach of the forward-backward method (FBM) with spectral acceleration algorithm (SAA) combined with the physics-based two-grid (PBTG) method is developed. Bistatic scattering from and transmitting through one-dimensional (1-D) fractal rough surface with high permittivity, under TE and TM tapered wave incidence, are numerically simulated. Angular reflectivity and transmittivity demonstrate the energy conservation and the functional dependences upon the surface parameters.     

数值模拟低掠角入射海面与船目标的双站散射

为研究风驱粗糙海面上有船目标时的双站散射,提出了一种结合广义前后的迭代方法（GFBM）与谱加速算法（SAA）快速求解双站散射的Monte Carlo数值方法,计算了在TE、TM锥形波低掠角入射在一维Pierson-Moskowitz谱粗糙导体海面以及船目标存在时的双站散射,数值模拟了在低掠角入射条件下,包含多次散射传播的粗糙海面与目标的双站散射与极化、频率、视角和海面风速等参数的关系。     

电大尺寸目标电磁散射的区域分解计算

提出了电大尺寸目标电磁散射的有限元区域分解计算方法。分析了子区域的有限元解法,建立了区域分解耦合的边界方程,导出了相应的耦合矩阵,并采用了内视法还原了耦合矩阵对称、稀疏的特征,最后研究了不同类型大尺寸目标的雷达散射截面问题并与公开文献结果进行了分析比较。     

结合谱积分加速法的前后向迭代法数值计算分形粗糙介质面的双站散射和透射

本文发展结合谱积分加速法(SAA)的前后向迭代法(FBM),数值模拟电磁波低掠角入射下任意大小的介电常数分形粗糙面的双站散射.将电场和磁场积分方程的阻抗系数阵,按面上场与电流未知量分类排序,形成四个子矩阵.对每个子矩阵通过FBM/SAA快速消元得到其对角线元素组成的新两元系数阵,再通过FBM/SAA迭代计算该两元系数阵的场和面电流.本方法的计算量和内存均与粗糙面离散剖分产生的未知量同量级(O(N)).本文数值计算了TE、TM锥形波入射下任意大小介电常数分形粗糙面的双站散射和透射,并讨论了计算效率与能量守恒,角度性起伏与分数维的关系.     

The scattering behavior of a slightly rough surface moving parallel to its mean plane with uniform velocity

The scattering of plane electromagnetic (EM) waves from a perfectly conducting, slightly rough surface moving in vacuum with uniform and constant velocity is examined by combining the boundary perturbation method and the special, homogeneous Lorentz transform. The direction of motion is assumed to be parallel to both the incidence plane and the mean plane of the moving rough surface. The analysis is confined to first-order scatter. The end result is the determination of the velocity-dependent expressions for the bistatic and backscatter incoherent cross sections per unit area of the scattering surface. The expressions for bistatic geometry are only valid for scattering inside the plane of incidence. A numerical example demonstrates the effect of the motion on the scattering behavior of the rough surface.     

基于弹跳射线法的海面舰船目标三维散射中心快速建模方法

海面舰船目标3维散射中心的快速建模对雷达目标信号快速仿真、特征提取与分类识别等应用具有重要意义。该文结合目标-海面耦合散射的“4路径”模型、随机海面散射修正Fresnel反射系数模型,以及基于射线管积分的快速3维成像等模型与方法,提出一种舰船-海面复合的快速3维成像方法,并通过CLEAN算法建立一种3维散射中心快速建模算法。该算法由于实现了单频、单视角条件下的目标3维成像,并且采用简化的海面模型避免了大量海面面元的构建,因而大大提高了3维散射中心建模的计算效率,从而满足实际工程应用的需求。典型海面舰船目标仿真实验结果表明,与传统基于FFT的3维成像算法相比,在典型计算条件下该算法的计算效率可提高4个数量级。不同海情下,3维散射中心重建的与直接仿真计算的1维距离像历程图和2维像的对比结果,也验证了算法的计算精度。      

粗糙海面上舰船Kelvin尾迹的电磁散射仿真

基于点源扰动方法建立了舰船的Kelvin尾迹模型, 模拟了不同船速下的Kelvin尾迹.实际中, 舰船尾迹除了受到舰船自身参数影响外, 还会受到风驱海浪的调制.为了建立更为符合实际的Kelvin尾迹模型, 借助PM(Pierson-Moscowitz)海谱生成粗糙海面, 将其与Kelvin尾迹模型进行线性叠加后, 得到了粗糙海面上舰船尾迹.在该复合模型基础上, 利用物理光学法获得了不同入射情况下的单站、双站的雷达散射截面, 实现了海面舰船尾迹电磁散射的模拟仿真.这一过程的实现, 有利于更好地模拟舰船尾迹在合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)中的成像仿真, 同时为SAR成像中舰船尾迹以及舰船自身的识别奠定了基础.     

低掠角入射动态分形粗糙海面与船目标的双站散射数值模拟

为快速数值计算动态粗糙分形海面上有船目标时的双站散射，该文将广义前后向迭代法（GFBM）与谱积分加速算法（SAA）结合用于求解磁场积分方程（MFIE）。避免了电场积分方程（EFIE）数值计算的不稳定性。数值模拟了TE锥形波低掠角入射在一维动态分形粗糙导体海面以及船目标存在时的双站散时，讨论了多次散射传播的双疲散射与动态分形海面和船目标特征参数的关系。     

Bistatic Scattering From a Three-Dimensional Object Over a Randomly Rough Surface Using the FDTD Algorithm

A numerical finite-difference time-domain approach for electromagnetic scattering from an object over a randomly rough surface in three-dimensional (3-D) model is developed. Rough surface is truncated in numerical simulation by using the periodic surface extension, and one period of the rough surface with dependence of the correlation length is used for scattering computation. Generation of the incident wave upon the rough surface is presented. A numerical model and algorithm of a single object on or above a rough surface are developed. Polarized bistatic scattering from the object and rough surface is obtained based on numerical distribution of the near zone fields. Comparison with conventional two-dimensional model is also discussed.     

粗糙面下方金属目标复合电磁散射的快速算法

为快速有效计算粗糙面下金属目标的复合电磁散射,提出了一种基于前后向迭代算法(FBM)和共轭梯度(CG)法的快速互耦迭代算(CCIA).首先建立目标与粗糙面的耦合积分方程组,并采用矩量法将其离散为矩阵方程.其次针对得到的耦合积分方程,用FBM求解粗糙面表面电流分布,用CG法求解目标表面电流分布,目标和粗糙面的相互作用通过更新两方程的激励项完成.最后,计算了高斯粗糙面下方无限长金属圆柱目标的复合电磁散射系数,当目标尺寸趋于零或目标深度趋于无穷时的结果与单独介质粗糙面相一致,验证了该数值方法的正确性;同时,讨论了不同粗糙面情况下该方法的收敛性,并分析了不同粗糙面媒质、目标尺寸和目标位置对双站散射系数的影响.     

A note on the scattering from a slightly rough surface

A Fourier transform approach is used to derive the bistatic radar scattering cross section of a slightly rough perfectly conducting infinite surface. A perturbation expansion is used to apply the boundary conditions, and the scattered fields are asympotically evaluated by means of the method of stationary phase. The resultant expression for the radar cross sectionsigma^{0}is shown to agree with that obtained using the method as outlined by Rice.     

分层粗糙面下方介质目标散射的快速算法

为快速获取分层粗糙面与下方介质目标的复合电磁散射特性,提出了一种基于前后向迭代算法(FBM)和双共轭梯度法(Bi-CG)的快速互耦迭代算法。推导了一维分层粗糙面与下方介质目标(二维散射问题)的耦合边界积分方程组,用FBM求解分层粗糙面的表面积分方程,而用Bi-CG求解目标的表面积分方程,目标和粗糙面的相互耦合作用通过更新两方程的激励项来迭代求解。应用该算法计算了下方存在介质目标时双层介质粗糙面的双站散射系数,与传统矩量法得到的结果相吻合,验证了该算法的正确性;分析了不同极化波入射时该算法的收敛性,讨论了目标尺寸和位置变化对双站散射系数的影响。     

一维粗糙介质分形海面电磁散射的扩展边界条件法

在采用经典扩展边界条件法处理导体分形粗糙面散射的基础上,将此方法推广到了一维粗糙介质分形海面的电磁散射.通过与传统的基尔霍夫近似法计算结果进行比较,验证了本文所给的方法,分析了不同入射角,不同分维和空间波数时海面双站散射振幅角分布的特点.     

快速计算一维分层粗糙面之间金属目标复合散射的互耦迭代算法

为研究一维分层介质粗糙面之间金属目标的复合电磁散射特性,该文提出了一种结合前后向迭代算法(FBM)和双共轭梯度法(Bi-CG)的快速互耦迭代算法(CCIA)。推导了分层粗糙面与金属目标的耦合边界积分方程组,采用FBM和Bi-CG分别求解分层粗糙面与目标的边界积分方程,目标和分层粗糙面的相互作用通过更新两方程的激励项来实现。计算了双层介质高斯粗糙面及无限长金属圆柱的复合电磁散射特性,当目标尺寸趋于零时与只有分层粗糙面的散射系数相吻合,验证了该算法的正确性;分析了不同粗糙面情况下该算法的收敛性;讨论了目标尺寸与位置变化对复合散射系数的影响。结果表明,金属目标的存在明显影响了分层粗糙面的散射特性。     

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.     

海面对低空目标短波散射特性的影响

海上目标散射特性的分析在短波超视雷达的应用中起着极其重要的作用。本文从求解半空间散射问题的矩量法出发，分析研究了海面对目标后向散射截面的影响。数值结果表明，海面与目标间的耦合导致后向散射截面围绕某一固定值上下波动，随高度的增加波动幅度逐渐减小，结合目标在自由空间中的双站散射特性，文中给出了分析和判定海面影响的近似方法。     

Numerical simulation of scattering from three-dimensional randomlyrough surfaces

Randomly rough surface patches in three dimensions are generated on the computer. The FD-TD method is used to compute scattering from surface patches by converting the Maxwell's equations into difference equations using a central difference approximation for the space and time derivatives. The volume of grids above the rough surface is divided into the total field and the scattered field regions. In between these two regions, obliquely incident waves are generated. To reduce computation, the volume of grids is chosen to be small, and a transformation is used to convert the scattered field into far zone fields for bistatic scattering coefficient calculations. Possible errors near the edge of the surface due to the use of a relatively small volume are suppressed by introducing a windowing function. Very good agreements are obtained between the results obtained by this method and those calculated by an integral equation method (IEM) for scattering from randomly rough perfectly conducting and dielectric surfaces     

并行FDTD方法在海面及其上方漂浮目标复合电磁散射中的应用

利用基于图形处理器(Graphics Processing Unit, GPU)的并行时域有限差分(Finite Difference Time Domain, FDTD)法计算一维粗糙海面及其上方二维漂浮目标的复合电磁散射.采用各向异性完全匹配层(Uniaxial Perfectly Matched Layer, UPML)吸收边界作为截断边界, 为了便于并行程序的设计, 在整个计算区域使用UPML吸收边界差分公式进行迭代.利用异步通信技术来隐藏主机和设备之间的通信时间, 同时使用片上的共享存储器提高读取速度, 进一步对程序进行优化, 得到很好的加速比, 证明了该方法的计算高效性.通过与串行FDTD法以及串行矩量法获得的数值结果进行比较, 验证了该并行方法的正确性, 进而研究了海面上方类似舰船漂浮目标的电磁散射特性, 讨论了入射角、海面风速以及目标吃水深度对双站散射系数的影响.     

基于FE-BI的介质粗糙面上方涂覆目标电磁散射特性研究

采用有限元-边界积分（finite element boundary integral,FE-BI）方法研究了介质粗糙面上方涂覆目标的复合电磁散射特性,推导了一维介质粗糙面上方二维涂覆目标电磁散射的FE-BI公式.在仿真中,采用功能强大的有限元方法模拟涂覆目标内部场,对于涂覆目标与粗糙面之间的多重耦合作用则通过边界积分方程方法进行考虑.结合Monte-Carlo方法,数值计算了介质高斯粗糙面上方涂覆圆柱目标的电磁散射,分析了涂层材料介电常数、粗糙面粗糙度以及介质粗糙面介电常数变化对复合模型双站散射系数的影响.数值结果表明,相比于传统矩量法（method of moment,MoM）,本文方法虽然在处理理想导体模型时效率略低,但可以处理MoM难以处理的复杂媒质电磁散射问题,且计算精度较高.