水中目標(biāo)聲散射特性研究——FDTD及Fourier衍射定理的應(yīng)用.pdf

1、水中目標(biāo)聲散射特性研究是水聲工程中的重要課題，它對于水中目標(biāo)識別、精確聲制導(dǎo)、反隱身及海洋開發(fā)等領(lǐng)域具有重要意義。對復(fù)雜目標(biāo)的散射特性進(jìn)行精確而快速的預(yù)報一直是聲學(xué)研究熱點(diǎn)之一，也是目標(biāo)回聲特性研究的關(guān)鍵和難點(diǎn)。本論文以提高數(shù)值方法的計(jì)算效率為主要目標(biāo)，著重研究了時域有限差分方法(FDTD)的改進(jìn)，提出了應(yīng)用Fourier衍射定理計(jì)算水中目標(biāo)散射特性的新方法。 在FDTD算法研究中，針對矩形網(wǎng)格對彎曲邊界的階梯近似引起誤差的問題

2、，提出了具有重疊網(wǎng)格的局部共形FDTD，導(dǎo)出了極坐標(biāo)中的聲學(xué)FDTD表達(dá)式，建立了求解具有圓形表面的目標(biāo)散射場的局部共形FDTD算法，并計(jì)算了具有圓形表面的柱體目標(biāo)的散射場。實(shí)驗(yàn)證明了算法的有效性。 為了適應(yīng)工程應(yīng)用的需要，對FDTD算法進(jìn)行并行化處理。首先在同步FDTD算法的基礎(chǔ)上，將散射目標(biāo)、海面、海底納入FDTD統(tǒng)一框架，建立適用于并行計(jì)算的FDID表達(dá)式。為了使數(shù)值模擬更加符合實(shí)際情況，考慮柱面波入射，并將入射波進(jìn)行加權(quán)

3、處理，使迭代計(jì)算更加穩(wěn)定。在并行算法的實(shí)現(xiàn)過程中，根據(jù)FDTD算法的特點(diǎn)，分析了任務(wù)分割與數(shù)據(jù)通信量的關(guān)系，通過MPI編程，在高性能計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)了FDTD的并行計(jì)算。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了并行算法的有效性，測試了并行加速比和并行效率與節(jié)點(diǎn)數(shù)和計(jì)算域尺寸的關(guān)系，并與理論分析進(jìn)行比較。 在應(yīng)用Fourier衍射定理計(jì)算目標(biāo)散射強(qiáng)度的研究中，提出了逆向應(yīng)用衍射CT原理求解聲場正問題的新方法。在該方法中，根據(jù)目標(biāo)的幾何形狀和聲學(xué)參數(shù)分布作二維Fou

4、rier變換，得到聲場波數(shù)域表示，再取出與所求聲學(xué)量有關(guān)的波數(shù)域樣本作一維Fourier反變換，得到所需的空域結(jié)果。該方法避免了空間的大規(guī)模迭代，使計(jì)算量大幅度降低。實(shí)驗(yàn)對該方法進(jìn)行了驗(yàn)證，計(jì)算結(jié)果與FDTD比較，二者十分接近，而算法所需的計(jì)算存儲量大大降低。 在目標(biāo)回聲特性水池實(shí)驗(yàn)中，對多種目標(biāo)的反向散射進(jìn)行了測量，獲得了與散射方向特性有關(guān)的實(shí)測結(jié)果。應(yīng)用一致性時域有限差分法(FDTD)和近場-遠(yuǎn)場變換計(jì)算散射聲目標(biāo)的回波強(qiáng)度