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基于FDTD方法的地球—电离层波导系统极低频/超低频电磁建模与分析

夏汉刚  
【摘要】:本文采用球坐标FDTD方法来对地球—电离层波导系统进行极低频/超低频(ELF/SLF)电磁建模与分析,论文的创新点和主要研究工作如下: 一.针对球坐标FDTD方法,设计建立了波导系统的二维、三维几何模型,并严格推导相应的FDTD迭代方程以及算法的稳定性条件,同时在不同仿真实验中进行了验证; 二.针对传统FDTD方法的耗时多,计算速度慢的特点,我们采用了晶格合并技术对南北极附近的晶格进行合并,降低了极点区域的晶格密度,较大幅度地增加了FDTD时间步,提高了运算速度; 三.提出了两种局部区域高分辨率的建模技术,分别对直角坐标系和球坐标系下非均匀FDTD方法进行局部区域高分辨率建模,可以任意改变波导系统内指定区域的网格密度,灵活提取局部区域电磁场的变化特征,满足了实际计算和测量中的高精度要求; 四.率先将地理信息系统(GIS)数据、公认的全球陆地—海洋的电磁物理参数(电导率等)以及测量的电离层电导率参数模型,共同融合形成了整个地球—电离层波导系统的真实电磁模型;计算结果表明,该模型真实反映了实际的地球—电离层波导系统的电磁传播特征; 五.采用高性能计算技术,对地球—电离层波导系统的ELF/SLF电磁传播进行加速计算。构造基于消息传递(MPI)机制的并行计算环境,并提出了球坐标并行FDTD的区域分割技术,有效提高了计算速度; 六.进行ELF/SLF电磁仿真软件的设计工作,使得整个计算系统具有良好的人机交互界面,能够自动输出仿真结果和仿真曲线图,方便地对各种参数进行设置,满足不同用户的需求。


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