三維復(fù)雜介質(zhì)體電磁問題快速算法及其應(yīng)用研究.pdf

1、三維非均勻介質(zhì)體電磁特性的研究對天線罩、電磁隱身、地下目標(biāo)探測以及生物醫(yī)學(xué)技術(shù)等領(lǐng)域都具有重要意義。針對不同電尺寸的三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)非均勻介質(zhì)體的電磁問題，本文深入研究了體積分方程矩量法(VIE—MoM)及物理光學(xué)(PO)法的快速計(jì)算技術(shù)，在復(fù)雜介質(zhì)目標(biāo)CAD建模及網(wǎng)格剖分、VIE—MoM快速算法、薄層介質(zhì)結(jié)構(gòu)的快速分析方法以及電大尺寸雷達(dá)罩的PO快速分析技術(shù)等方面取得了進(jìn)展，并自主開發(fā)了快速分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)天線罩電磁特性的應(yīng)用軟件。

2、1.精確建立目標(biāo)的幾何模型并獲取網(wǎng)格剖分?jǐn)?shù)據(jù)是電磁問題數(shù)值分析的必要前提。本文借助成熟的CAD/CAM商用化軟件，針對復(fù)雜曲面外形多層結(jié)構(gòu)等三維介質(zhì)目標(biāo)的精確建模和網(wǎng)格自動(dòng)剖分問題，通過基于分界面生成實(shí)體模型的方法，有效地解決了在復(fù)雜形狀分界面處四面體網(wǎng)格的匹配問題，為任意多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)的電磁分析提供了準(zhǔn)確的幾何數(shù)據(jù)文件?；贑AD商用軟件并結(jié)合自行編寫的專用程序，提出了一種具有通用性的非規(guī)則外形變厚度天線罩內(nèi)表面的幾何建模方法，并應(yīng)用于

3、現(xiàn)代復(fù)雜結(jié)構(gòu)雷達(dá)罩的實(shí)體模型的建立。 2.在非均勻介質(zhì)體積分方程矩量法(VIE—MoM)分析中實(shí)現(xiàn)了多層快速多極子算法(MLFMA)加速技術(shù)，大大地提高了VIE—MoM分析任意三維非均勻介質(zhì)體的計(jì)算效率，降低了內(nèi)存需求。提出了一種高效的求解矩量法方程組的近場預(yù)條件技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法，并應(yīng)用于VIE—MoM/MLFMA中，有效地改善了大型矩陣方程迭代求解的收斂速度。此外，在迭代過程中，當(dāng)相對留數(shù)誤差達(dá)到一定的臨界值時(shí)，采用近似矩陣向量

4、乘積方法，減少單步的迭代時(shí)間，從而大大減少整個(gè)迭代過程的計(jì)算時(shí)間。計(jì)算實(shí)例表明，采用這兩種加速技術(shù)，能夠十分有效地提高VIE—MoM大型矩陣方程GMRES迭代求解速度。 3.研究了VIE-MoM在分析介質(zhì)目標(biāo)頻域特性和角度域響應(yīng)時(shí)的兩種快速計(jì)算技術(shù)。在頻域內(nèi)，通過在VIE—MoM/MLFMA中引入有理函數(shù)插值相技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了不同頻率點(diǎn)上近場阻抗矩陣元素的快速填充，有效地提高了VIE—MoM分析寬帶問題的計(jì)算效率。對于相控陣天線寬角

5、掃描激勵(lì)情況，提出了一種求解介質(zhì)目標(biāo)電通量展開系數(shù)的快速方法，分析其角度域響應(yīng)問題。通過建立VIE-MoM中的電通量展開系數(shù)與波束掃描角的關(guān)系式，根據(jù)波束掃描角直接求解展開系數(shù)，避免了在不同入射角條件下重復(fù)求解VIE—MoM大型矩陣方程的過程，極大地提高了計(jì)算效率。 4.應(yīng)用將三重體積分方程(VIE)退化為二重面積分方程(SIE)的技術(shù)并結(jié)合MLFMA，有效地解決了薄層介質(zhì)結(jié)構(gòu)電磁特性的快速分析問題。利用薄層介質(zhì)中非掠入射情況下

6、，場量切向分量占優(yōu)和沿法線方向近似不變的特點(diǎn)，將三重VIE退化為二重SIE，不僅降低了數(shù)值積分的復(fù)雜度，而且大大減少了未知元數(shù)目，避免了超薄介質(zhì)層的實(shí)體建模和四面體網(wǎng)格剖分困難、難于直接采用VIE—MoM分析的問題。在退化的SIE矩量法分析中，還對其實(shí)現(xiàn)了MLFMA加速技術(shù)，進(jìn)一步提高了計(jì)算效率。在此基礎(chǔ)上，建立了薄層介質(zhì)結(jié)構(gòu)退化的SIE與傳統(tǒng)的理想導(dǎo)體SIE的耦合積分方程，應(yīng)用于薄殼介質(zhì)罩與線天線及其金屬載體一體化的電磁特性的快速分析

7、計(jì)算。 5.基于PO原理，結(jié)合CAD/CAM技術(shù)，研究并實(shí)現(xiàn)了電大尺寸復(fù)雜外形多層介質(zhì)體電磁特性的快速分析技術(shù)。導(dǎo)出了具有半解析形式的面元散射場的PO計(jì)算公式，降低了目標(biāo)表面剖分尺度要求，減少了計(jì)算時(shí)間和內(nèi)存消耗。采用了口徑積分-表面積分(AI—SI)分析非規(guī)則外形變厚度的電大尺寸雷達(dá)罩的電性能，并結(jié)合射線追蹤法解決了由反射場引起的鏡像瓣的快速計(jì)算問題。最后，建立了弱耦合的PO與VIE—MoM及其快速算法的混合技術(shù)模型，為分析電

8、大尺寸薄層介質(zhì)結(jié)構(gòu)與電小尺寸復(fù)雜介質(zhì)體的組合目標(biāo)的散射特性打下了基礎(chǔ)。 6.針對具體的工程需求，借助于前面所介紹的復(fù)雜目標(biāo)的幾何建模以及網(wǎng)格離散技術(shù)，開發(fā)了適應(yīng)于復(fù)雜外形、復(fù)雜介質(zhì)結(jié)構(gòu)的雷達(dá)罩的電性能分析的工程應(yīng)用軟件。該軟件系統(tǒng)集成了VIE—MoM、MLFMA、大型矩陣快速求解技術(shù)以及AI—SI技術(shù)結(jié)合射線追蹤技術(shù)的核心算法，具有計(jì)算精度高、對罩體形狀和材料構(gòu)造的通用性強(qiáng)、支持多種激勵(lì)方式、工程參數(shù)提取方便等特點(diǎn)，可應(yīng)用于不同