基于非零散度关系的交替方向隐式减缩FDTD算法

该文证明了即使在无源区域,交替方向隐式时域有限差分法(ADI-FDTD)所给出的电磁场量不满足零散度关系,同时推导出了该散度关系的具体表达式。基于该非零散度关系,将不受Courant稳定条件限制的ADI-FDTD法和能节约最多达1/3内存的减缩时域有限差分(R-FDTD)法结合,提出了一种新的交替方向隐式减缩FDTD算法。该算法保留了ADI-FDTD能增大时间步长,缩短计算时间的优点,同时与ADI-FDTD相比节约了最多达1/3(三维)或2/5(二维)的内存。与基于零散度关系的ADI/R-FDTD相比,该算法避免了采用长时间步长计算时的发散现象。应用所提出的ADI/R-FDTD算法计算了二维自由空间波的传播及一维频率选择表面垂直入射的问题,计算结果与ADI-FDTD计算结果完全一致,验证了ADI/R-FDTD的正确性和有效性。     

一种非条件稳定的隐式时域有限差分法

介绍一种基于交替方向隐式(ADI)技术的时域有限差分法(FDTD).该方法是非条件稳定的,时间步长不再受到Courant稳定条件的限制,而是由数值色散误差来确定.与传统的FDTD相比,ADI-FDTD增大了时间步长,从而缩短了总的计算时间,特别是当空间网格远小于波长时,优点更加突出.首次把完全匹配层(PML)边界条件应用到ADI-FDTD计算中,采用幂指数形式的时间步进算法,推导了相应的迭代公式.进行了实例计算,并与传统FDTD的结果对比,验证了ADI-FDTD的有效性与优越性.     

基于迭代多尺度深度网络的非线性逆散射成像方法

传统的迭代多尺度方法 (iterative multiscaling approach, IMA)在求解非线性电磁场逆散射问题时,可以自适应提高成像空间的分辨率,缓解逆问题的病态性,但容易陷入局部极小值且无法做到实时重构.文中提出了一种迭代多尺度深度网络,该网络结合传统IMA和深度网络的优势,将IMA展开成深度网络模型（命名为IMA-Net）.该方法迭代地执行一种感兴趣区域(regions of interest, ROI)提取算法,在不同尺度的ROI内构建目标函数,并将目标函数分解成若干个优化子问题,子问题的迭代更新过程映射到深度网络结构中,交替更新相关分量,求解出目标函数的最优值.实验结果验证了该方法的有效性和优越性,为目标实时重构提供了一个有效方案.     

基于绕射场修正快速迭代物理光学法的海面舰船与角反阵列电磁散射分析

随着雷达技术的发展,雷达制导武器严重威胁着海面舰船目标的安全.为了保护海面航线的舰船,多面角反射器得到了广泛利用.本文以海上舰船与角反射器阵列组合为分析目标,针对其散射作用强、局部耦合明显的目标散射特征,提出了局部迭代物理光学（iterative physical optics, IPO）方法进行高效的电磁散射建模,并采用快速多极子技术与GPU并行技术实现了大场景海面复杂目标与角反干扰阵列的快速雷达散射截面积（radar cross section,RCS）仿真计算.该方法通过将电流迭代求解再辐射作用的区域截断在射线路径周围的局部区域内的操作,减少了IPO方法中分析复杂目标的电磁散射过程所产生相互作用的循环计算未知量.同时该方法考虑了边缘绕射场对目标RCS的影响,并利用绕射场对表面反射场进行修正.不同类型舰船的角反射器阵列的仿真结果表明,本文方法可为海战场反电子侦察提供有效的理论实现方案.     

障碍物环境下电波传播的分区计算方法

为研究存在障碍物环境下的电波传播问题,提出利用区域分解原理求解抛物线方程(parabolic equation,PE)的方法.该方法首先建立电波传播的PE数学模型,对障碍物所在区域进行区域分解,对不同区域的场值进行分区计算,即分别使用离散混合傅里叶变换(discrete mixed Fourier transform,...     

色散媒质中ADI-FDTD

基于交替方向隐式(ADI)技术的时域有限差分(FDTD)法是一种非条件稳定的计算方法，该方法的时间步长不受Courant稳定条件限制，而由数值色散误差决定。与传统的FDTD相比，ADI-FDTD增大了时间步长，从而缩短了总的计算时间。本文采用递归卷积方法将ADI-FDTD推广应用于色散媒质，推导了二维情况下色散媒质中的ADI-FDTD迭代公式。应用推导公式计算了色散土壤中目标的散射，并与色散媒质FDTD结果对比，在大量减少计算时间的情况下，两者结果符合很好。     

非均匀网格GA-A3DI-FDTD法分析微波电路

研究了一种减小交替方向隐式时域有限差分法（ADI—FDTD,Alternating-Direction Implicit Finite-Difference Time-Domain）数值色散的新方法GA—A3DI—FDTD（Genetic Algorithm Artificial Anisotropy ADI-FDTD）及其在非均匀网格条件下的应用。首先对添加人工各向异性介质后的非均匀网格ADI—FDTD迭代公式进行修正,得到新的数值色散关系,再利用自适应遗传算法（AGA,adaptive genetic algorithm）得到需要添加的人工各向异性介质的相对介电常数。为了验证方法的正确性和有效性,对几种微波电路进行仿真,分别与传统ADI—FDTD相比较,并且比较对非均匀网格的不同处理方法对计算精度的影响。结果表明：通过正确选择目标函数,得到更加合适的人工各向异性介质,可以再减小三维ADI—FDTD数值色散。     

Z 变换法改进PML-FDTD 吸收边界条件

时域有限差分（FDTD）方法是计算时域电磁散射和辐射的一种简单有效的方法,被广泛应用于求解电磁场问题中,但由于计算机容量的限制,FDTD 计算只能在有限区域进行,为了能模拟开域电磁过程,在计算区域的截断边界处必须给出吸收边界条件,完全匹配层(PML)是一种行之有效的吸收边界条件。在PML 中应用Z 变换,和传统的引入PML 的方法相比,得到的迭代公式的程序更方便、更简单;考虑到要模拟的FDTD 计算区域的虚拟物质属性,采用了特殊的处理方法;数值实验验证了这种方法的有效性和吸收边界的吸收效果。     

基于交替方向隐式的高效三维全矢量光束传播法

提出了一种高效的非迭代三维全矢量光束传播法.在该方法中,表征器件全矢量特性的偏振耦合项被引入光束传播方程,并使用新型的交替方向隐式进行高效处理.数值模拟的结果表明,相比于传统的迭代方法,该方法在保持较高精度的同时,计算效率有了显著的提高.     

基于加权加速正交迭代算法的相机位姿估计

单目视觉中的位姿估计是三维测量中的一个关键问题,在机器视觉、精密测量等方面运用广泛。该问题可通过n点透视（PnP）算法求解,正交迭代算法（OI）作为PnP算法的代表,因其高精度的优点在实际中得到了广泛运用。为了进一步提高OI算法的稳健性和计算效率,提出了一种加权加速正交迭代算法（WAOI）。该方法首先根据经典正交迭代算法推导出加权正交迭代算法,通过构建加权共线性误差函数,利用物点重投影误差更新权值,达到迭代优化位姿估算结果的目的;在此基础上,通过自适应权值,整合每次迭代过程中平移向量以及目标函数的计算,减少迭代过程中的计算量,从而实现算法的加速。实验表明,在12个参考点中存在两个粗差点的情况下,WAOI的参考点重投影精度为0.64 pixel,运算时间为8.02 ms,精度高且运行速度快,具有较强的工程实用价值。     

一致性绕射理论的等效边缘电磁流法在抛物线方程中的应用

将抛物线算法应用于目标的电磁散射特性分析中.针对传统的抛物线算法在计算棱边散射体时误差较大这一问题,本文引入了一致性绕射理论对其进行修正.数值结果表明:与传统方法相比,该方法可以提高棱边散射体的计算精度.     

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。     

一种基于抛物方程的散射传输损耗预测方法

抛物方程(PE)已经被广泛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。针对目前仅有散射传输损耗年中值预测方法,对短期预测的迫切需求,在考虑大气湍流对大气折射指数影响的基础上,结合湍流非相干散射理论,采用PE预测在湍流状态下的散射传输损耗,并与实测数据进行比较。结果表明,应用PE可以较准确地预测出湍流大气环境下的散射传输损耗天中值。     

Diffraction by a transparent wedge with resistive faces with the parabolic equation method

The problem of the two-dimensional (2D) scattering from a transparent wedge with thin resistive faces is treated by the parabolic equation (PE) method in conjunction with the finite difference (FD) method. The solution is valid in the high-frequency region. Some interesting features of the PE method, which have not been deeply investigated before, especially concerning the stability of the solution, are also addressed.     

Modeling radio wave propagation in tunnels with a vectorialparabolic equation

To study radio wave propagation in tunnels, we present a vectorial parabolic equation (PE) taking into account the cross-section shape, wall impedances, slowly varying curvature, and torsion of the tunnel axis. For rectangular cross section, two polarizations are decoupled and two families of adiabatic modes can be found explicitly, giving a generalization of the known results for a uniform tunnel. In the general case, a boundary value problem arises to be solved by using finite-difference/finite-element (FD/FE) techniques. Numerical examples demonstrate the computational efficiency of the proposed method     

High-frequency scattering by an isorefractive wedge with theparabolic equation method

The parabolic equation (PE) method is applied to the problem of the high-frequency scattering from a diaphanous wedge, that is, a wedge made of a material which is isorefractive with respect to the surrounding medium, illuminated by a plane wave or by a line current parallel to the edge. The proposed approach is able to handle any wedge aperture and incidence angle and presents some novelties that allows overcoming the problems arising in the numerical solution of the parabolic equation applied to penetrable wedges     

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.     

Transparent boundary conditions for parabolic equation solutions ofradiowave propagation problems

Perfectly transparent boundary conditions are derived for truncating the integration domain when solving radiowave propagation problems with a parabolic equation (PE) method. The boundary conditions are nonlocal: they are expressed as a convolution integral involving the field at all previous ranges. The convolution kernel is matched to the refractive index vertical gradient at the boundary. The boundary conditions include an incoming energy term which can model an arbitrary incident field. In particular, they may be used with plane-wave incidence, or with a point-source located below or above the domain boundary. If required, the solution can be extended to heights above the boundary with a generalized horizontal PE method. Closed-form solutions for the incoming energy term are given for plane-wave incidence and for Gaussian sources when the refractive index above the boundary is constant or linear. The resulting finite-difference algorithms provide efficient solutions to problems involving airborne sources. Numerical examples are given, showing excellent agreement with a pure split-step/Fourier PE algorithm     

Numerical determination of diffraction, slope-, andmultiple-diffraction coefficients of impedance wedges by the method ofparabolic equation: Space waves

By generalizing the results of Malyuzhinets (1959), Ufimtsev (1965), and Popov (1969), the method of the parabolic equation (PE) can be applied to study the space wave diffraction of a line source by an impedance wedge. The respective diffraction as well as the slope-diffraction coefficients are numerically determined. Contrary to conventional methods, which usually first solve the scattering by a finite body containing the desired diffraction center and then extract the corresponding diffraction coefficient, the PE studies a semi-infinite scattering body and the diffracted field directly. A comparison of PE results with exact ones, as far as available, and uniform geometrical theory of diffraction (UTD) results confirm the accuracy of this method. In addition, a straightforward application of the PE for calculating multiple wedge diffraction eliminates the discontinuities which are typical of the “mechanical” application of the UTD to the same problem. A possible way for combining the PE and the UTD is pointed out. The latter should be of special interest to dealing with wave propagation problems     

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。