海面上方低空突防飞机雷达散射特性研究

为更好地研究海面上方低空突防飞机的雷达散射特性,基于迭代物理光学法（AIPO）和等效电流法（MEC）,提出了计算电大尺寸二维导体海面上方低飞目标的AIPO＋MEC算法,应用AIPO计算海面与目标之间的相互作用,用MEC计算棱边绕射。通过计算海面上金属立方体的双站散射系数,与已有数值算法结果相比较,验证了算法的正确性。用PM谱粗糙面模拟实际海面,应用该算法计算了海面上方三种典型隐身飞机模型的后向散射系数,并与自由空间中飞机模型的散射系数和平面上方飞机模型的散射系数进行了比较。结果表明,由于海面散射以及海面与飞机之间的相互作用,后向散射系数增大,且下方为海面时的散射系数角度性分布的散射比下方为平面时更为平缓。这对现代战争中海面上方低空目标探测和雷达设计具有一定的理论指导意义。     

不同类型土壤地面与其上方目标散射特性研究

针对超低空目标与地面复合电磁散射的问题,以某型巡航导弹作为超低空目标的典型代表,研究了不同类型土壤地面与其上方巡航导弹的散射特性。在考虑不同类型土壤组成成分的基础上,采用四成分土壤介电模型计算其介电常数,分析了土壤介电常数与土壤类型和土壤湿度的关系;以二维高斯粗糙面模拟地面环境,引入锥形入射波克服粗糙面的边缘衍射,应用基于物理意义的双网格法(Physics Based Two Grid, PBTG)结合稀疏矩阵规范网格法(Sparse Matrix Canonical Grid, SMCG)仿真分析了土壤类型、入射波频率与极化等因素对地面环境电磁散射特性的影响;基于目标与环境的复合表面积分方程,研究了不同类型土壤地面与巡航导弹的复合散射特性。分析表明:巡航导弹与粗糙面相互作用,使三种类型土壤地面的散射系数均有所增大。研究成果为不同类型土壤地面环境遥感探测及其上方超低空目标的探测提供了理论参考。     

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.     

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。     

随机粗糙面上目标散射差值计算的快速互耦迭代方法

用粗糙面上方有目标和无目标时空间散射场的差值计算的雷达散射截面,称为差场雷达散射截面.本文推导TE波入射下电场积分方程(EFIE),直接求解散射差场.本文提出目标与粗糙面之间的互耦迭代的计算方法,散射场纳入了目标与粗糙面之间复杂的相互作用,给出了迭代过程中纳入的粗糙面长度的选择.用Monte-Carlo方法,计算了P-M谱粗糙海面上方二维圆柱和方柱的散射,说明目标的几何结构对散射方向图的影响.     

矩量法计算粗糙海面与舰船目标复合电磁散射

给出积分方程的建立过程。研究了一维PM粗糙海面及其上方二维导体舰船目标复合电磁散射特性。并基于矩量法矩阵块与粗糙海面的信息得到了复合散射系数,研究了不同风速、入射角和船的吃水深度对结果的影响。最后进行了结果分析,验证了该方法的有效性。     

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.     

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。     

PBTG法快速求解粗糙海面散射增强效应

针对矩量法(MOM)不能有效求解大尺度粗糙介质表面散射特性的问题,采用基于物理的双网格法(PBTG)快速计算了高斯粗糙海面的散射特性,对比了不同矩阵维数下的求解时间,研究了水平、垂直极化下粗糙海面的散射增强现象。通过与矩量法的比较,证明了PBTG法的高效性。     

三类新型随机粗糙面模型的快速散射特性分析

基于表面粗糙度对雷达目标电磁散射特性的影响,为真实地模拟实际自然场境,提出了三类粗糙环境中表面粗糙度不同的新型分区域复合随机粗糙面模型.采用在同一粗糙面上使用不同均方根高度和相关长度的方法进行建模,替代了传统的单一谱函数模型.应用稀疏矩阵平面迭代/规范网格法快速计算了此三类新型随机粗糙面模型的电磁散射特性,重点分析了不同表面粗糙度模型对于环境电磁散射特性的影响,为研究、分析和探测符合实际自然环境的地形、地貌提供了理论依据.     

峡谷型分区域复合粗糙面电磁散射特性研究

提出了一种分区域复合表面模型来描述峡谷环境的天然腔型结构,研究了峡谷型分区域复合粗糙面的电磁散射特性。采用蒙特卡罗方法,利用高斯谱函数模拟峡谷环境的陆地粗糙面,利用Pierson-Moskowitz(PM)海洋谱模拟峡谷的海面部分,交界处运用加权反正切函数平滑处理,建立了峡谷型分区域复合粗糙面模型。考虑到自然环境中峡谷所具备的天然腔型结构,引入射线密度归一化(RDN)思想,采用改进射线弹跳法与物理光学法的混合方法,计算峡谷型分区域复合粗糙面的电磁散射特性。对比了陆地粗糙面、海面和峡谷型分区域复合粗糙面的电磁散射特性,计算了峡谷型分区域复合粗糙面的散射系数,并讨论了峡谷开口范围、陆地粗糙面的均方根高度和相关长度对峡谷型分区域复合粗糙面电磁散射特性的影响。仿真结果对于反演峡谷环境的电磁特性以及遥感、探测具有借鉴意义。     

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.     

Electromagnetic Scattering From a Rough Layer: Propagation-Inside-Layer Expansion Method Combined to an Updated BMIA/CAG Approach

An efficient method is developed to calculate the bistatic scattering coefficient (BSC) from a stack of two one-dimensional rough interfaces separating homogeneous media. The propagation-inside-layer expansion (PILE) method recently published by Dechamps was efficient with a complexity O(N²) (N being the number of samples per interface). To reduce this complexity, a fast method valid for a single rough surface, the banded matrix iterative approach/canonical grid (BMIA/CAG) is combined to the PILE method. Furthermore, the calculation of the coupling interactions between both interfaces are also accelerated using a new method similar to the BMIA/CAG. The PILE method reaches then a complexity of only O(NlogN). A study of the convergence of the PILE is done and compared to another efficient method, the forward-backward.     

复杂陆地粗糙面及其上方坦克目标复合散射研究

研究了复杂陆地粗糙面及其上方坦克目标的复合散射特性.基于Monte Carlo方法,利用高斯谱函数模拟不同统计特性的陆地表面,运用加权反正切函数滤波处理以构造边界和连接相邻区域,构建了复杂陆地分区域复合粗糙面的几何模型.提出了一种快速精确求解复杂陆地粗糙面及其上方坦克目标复合散射的混合方法,利用迭代物理光学法求解目标与环境间的多次耦合,运用等效电磁流法修正棱边绕射.分析了复杂陆地粗糙面的散射特性,研究了入射角、均方根高度、相关长度和粗糙面表面结构对复合散射特性的影响.本研究为探测复杂环境上方的坦克目标提供了理论基础,数值仿真结果对雷达目标的探测与识别具有借鉴意义.     

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.     

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。     

超电大目标与分形海面复合散射研究

舰船与海面构成复合目标,其雷达散射截面(RCS)的研究一直是电磁计算领域中的重点和难点。文中建立了Weierstrass分形海面和目标三角面元的几何模型以及基于物理光学法(PO)和弹跳射线法(SBR)的海面目标的电磁散射模型。采用OpenGL图形编程技术与C++多线程处理技术设计了一款可视化目标电磁散射预估系统(ESEE)V1.0,对比典型目标体RCS 与商业软件FEKO 的计算结果,验证了ESEE的可靠性。通过计算不同海况的海面RCS 及超电大尺寸舰船与海面复合散射RCS,分析了海面散射以及超电大目标与海面复合散射特性。     

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。