三維目標與隨機粗糙下墊面復合電磁散射的FDTD方法研究.pdf

1、目標在復雜環(huán)境中的電磁散射研究應用在十分廣泛的領域中。解析方法受其近似條件的約束，對于復雜粗糙面和粗糙面上有離散目標的復合電磁散射計算存在方法上的困難。目前，各種數值方法求解了二維粗糙面與目標電磁散射的建模與計算，在計算有限大粗糙面時，通常采用錐形入射波來抑制邊緣繞射，但所模擬的粗糙面會隨著入射角度的增大而顯著增大。在計算三維粗糙面散射時，由于未知數個數的增加使得計算的復雜度陡然增大，而難以在單臺PC機上完成。 本文將隨機粗糙面

2、看成周期延拓結構，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的錐形入射波消除粗糙面的邊緣繞射。討論了一個周期單元粗糙面的邊長與其相關長度之間的關系。所需計算的粗糙面不隨入射角的變化而改變始終為一個周期單元，因此大大降低三維粗糙面散射計算量和內存。在斜入射情形下入射波在周期方向上存在時延，因此采用“雙平面波激勵法”通過對正弦和余弦激勵源分別作用下的電磁場做適當的變換使周期邊界條件得以應用。結合時域有限差分方法(Finite-DifferenceTime-Domain，FD

3、TD)計算出粗糙面的電磁散射系數。 隨后，用FDTD方法建立了三維隨機粗糙面與上方目標的復合電磁散射模型。粗糙面可以用周期延拓的方法消除邊緣繞射，但不能對粗糙面上的目標也應用相同的周期邊界，否則會引入目標的周期性。這里采用在每個時間步中先用周期延拓法計算出粗糙面的近區(qū)總場，再以此作為激勵源照射粗糙面上方放置單個三維目標的復合模型，由于沒有使用周期邊界條件，目標不會被引入周期性。經過迭代求解獲得整個時域過程中三維目標和粗糙面相互作

4、用的復合電磁散射，得到穩(wěn)態(tài)下目標與粗糙面的近場分布。利用近遠場變換公式，計算出全方位散射角度的單個目標/粗糙面模型的散射系數。 粗糙面與目標之間的多路徑散射會使窄帶雷達或單頻連續(xù)波雷達難以有效地識別目標，需要采用寬頻帶雷達對目標進行探測?！半p平面波激勵法”雖然能在斜入射情形下應用周期邊界條件，但是由于設置的是正弦和余弦激勵源，只能獲得粗糙面和粗糙面上有目標模型在單頻率點下的散射特性。為了充分發(fā)揮FDTD方法的寬頻帶優(yōu)勢，本文引入

5、了橫向截面波數為常數的脈沖波(ConstantTransverse Wave，CTW)。由于CTW脈沖波在周期方向上的波數保持為常數，在橫向截面上沒有時延，使得周期邊界條件在脈沖波斜入射情形下能夠非常方便地實現。這種橫向截面波數為常數的方法也稱為譜FDTD(Spectral FDTD，SFDTD)方法。由此我們建立了粗糙面在寬頻帶下的散射模型，利用周期延拓面法消除邊緣繞射，獲得三維粗糙面在脈沖波激勵下的時域散射結果，經過Fourier變