復雜目標電磁散射的FDTD及FDFD算法研究.pdf

1、本文基于Yee元胞理論中電場分量位于元胞棱邊中點處，而磁場分量位于元胞側面中心處的空間排布特點，采用等效介質參數(shù)的方法，研究了處理磁性及電磁性介質曲面、介質基底涂層目標和理想導體基底涂層目標的共形FDTD方法。 對于介質曲面，共形網(wǎng)格上電場采樣點處的介電常數(shù)和電導率根據(jù)相應棱邊上介質和自由空間所占的長度加權平均得到等效值；而磁場節(jié)點處的磁導系數(shù)和導磁率根據(jù)相應側面上介質和自由空間所占的面積加權平均得到等效值。通過在目標邊界處引入

2、等效介質參數(shù)，減小了常規(guī)FDTD模擬曲面目標時的階梯近似誤差，有效地提高了FDTD方法的計算精度。 對于以介質為基底表面包含薄涂層的共形網(wǎng)格，電場采樣點處的介電常數(shù)和電導率的等效值根據(jù)相應元胞棱邊上介質、涂層和自由空間所占的長度加權平均得到，而磁場采樣點處的磁導系數(shù)和導磁率的等效值根據(jù)相應元胞側面上介質、涂層和自由空間所占的面積加權平均得到。共形網(wǎng)格上節(jié)點的電磁場遞推式與常規(guī)FDTD遞推式形式相同，只是遞推式系數(shù)中的介質參數(shù)用相

3、應的等效參數(shù)代替。對于以理想導體為基底表面包含薄涂層的共形網(wǎng)格，將涂層附近元胞上電場采樣點處的介電常數(shù)和電導率根據(jù)元胞棱邊上涂層介質和自由空間所占的長度加權平均得到等效值，而磁場采樣點處的磁導系數(shù)和導磁率根據(jù)元胞側面上涂層介質和自由空間所占的面積加權平均得到等效值。對于包含理想導體的共形網(wǎng)格，在引入等效介質參數(shù)的同時，進一步通過改變電場積分路徑，使FDTD遞推式中包含了涂層體的邊界信息。該共形FDTD方法通過在共形網(wǎng)格處引入等效介質參數(shù)

4、，解決了常規(guī)FDTD方法在模擬薄涂層時因網(wǎng)格劃分過細而導致計算所需的內存和時間急劇增大的問題，減小了階梯近似誤差。 提出了一種基于三角面元數(shù)據(jù)生成涂層目標FDTD共形網(wǎng)格的方法。通過將原目標中各三角面元的頂點沿法線方向“內移”(內涂層)或“外移”(外涂層)一定的距離(等于涂層厚度)，即可得到一組關于涂層的三角面元數(shù)據(jù)。對于局部涂敷的情況，可根據(jù)需要只將涂敷部分所包含的三角面元頂點進行相應的移動，而其余頂點的位置不變。分別對原目標

5、的三角面元數(shù)據(jù)和新生成的涂層三角面元數(shù)據(jù)采用投影求交的方法，計算出各面元與FDTD網(wǎng)格線的交點，然后根據(jù)交點的坐標及其在相應網(wǎng)格線上編號的奇偶性判斷并生成共形網(wǎng)格。由于很多實際的復雜目標三角面元數(shù)據(jù)可以直接從AutoCAD、uG等商用軟件中獲得，而該方法只需將描述原目標外形的三角面元數(shù)據(jù)讀入計算程序就可以自動生成涂敷目標的共形網(wǎng)格，所以程序具有很強的通用性。 針對鋼筋混凝土結構，提出了一種基于PVM并行平臺的周期結構并行FDTD

6、方法。首先根據(jù)Floquet定理，將無限大鋼筋混凝土層截斷為一個周期單元。為便于邊界處理及相鄰子域之間的數(shù)據(jù)通信，將FDTD計算區(qū)域沿非周期方向劃分子域，并使相鄰子域之間重疊半個網(wǎng)格。該方法有效地解決了利用FDTD方法對鋼筋混凝土結構進行數(shù)值模擬過程中單臺計算機內存不足及CPU受限的問題。文中詳細分析了FDTD區(qū)域分割后各子域之間的數(shù)據(jù)通訊規(guī)律和子域之間同步計算等問題，并對混凝土層及雙層鋼筋混凝土層并行加速比進行了測試。文中還系統(tǒng)分析了

7、典型的鋼筋混凝土結構對電磁脈沖的反射和透射特性的影響，得出了對通信設計者及工程防護方面具有參考價值的結論。研究了二維及三維頻域有限差分方法中總場區(qū)平面入射波的引入問題?；诘刃г恚ㄟ^在總場一散射場(TF/SF)邊界處設置等效電磁流，將平面波引入總場區(qū)。根據(jù)TF/SF內、外邊界上各節(jié)點的位置特點，通過將FDFD方程式中的相關節(jié)點加入或者扣除相應的入射波分量，使得方程式中的各節(jié)點滿足同為總場或同為散射場的條件。文中系統(tǒng)分析了二維和三維情