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《西安电子科技大学》 2002年
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各向异性介质涂敷目标的电磁波散射分析与计算方法研究

郑宏兴  
【摘要】: 随着复合材料在航空工业中的应用,飞行器目标的材料组成也发生了变化,已经不再局限于各向同性介质,如碳纤维复合材料具有典型的各向异性特征。在金属目标表面涂敷雷达吸波材料(RAM)可以有效地缩减目标的雷达散射截面(RCS),而某些涂敷材料是各向异性的,分析各向异性介质的电磁波散射特性,是军事电子领域的重要课题之一。 时域有限差分方法(FDTD)是一种对Maxwell方程组进行直接求解的数值方法。它既可以分析时谐场,又能计算宽频带脉冲激励时的瞬态场,还能得出任意时刻矢量场各个分量在空间各点的数值,便于分析场的极化特性。因此,FDTD方法已经成为分析复杂目标电磁波散射的重要方法之一。由于FDTD方法在复杂结构的建模方面相对比较灵活,FDTD方法成为分析这类问题的有利工具。 本文对各向异性介质涂敷的复杂目标电磁波散射问题开展研究。从无限大平面分层介质反射系数和透射系数的计算,到三维散射体的RCS分析,分别应用了广义传播矩阵方法、平面波展开方法以及FDTD等方法对计算结果进行了分析以及对方法本身进行了研究。 首先对无限大平面分层各向异性介质的电磁波传播特性进行分析。在实验室坐标系下由各向异性介质中Maxwell旋度方程出发,构造了关于横向场的状态矢量和耦合矩阵,使Maxwell场方程变为关于状态矢量的一阶微分方程。通过分析均匀各向异性介质中的平面波解,确定了介质内部的本征波矢量的两个独立分量,克服了通常情况下确定波矢量的困难。求解耦合矩阵的本征值和本征矢量给出了半空间各向异性介质界面的反射和透射系数的解析解。求解耦合矩阵所得本征矢量并结合传播矩阵给出了计算分层介质反射系数和透射系数的解析表达式,该式可以处理相对介电常数张量和相对磁导率张量为一般情况下的各向异性分层介质。这里的传播矩阵与各向同性介质传播矩阵的不同之处在于它是一个对角阵,跨越介质界面时是一个单位阵。在此基础上,得到了求解多层介质表面反射系数的递推关系,用该方法研究了金属表面各向异性涂层的反射,给出了单轴介质涂层在几种特殊情况下反射系数的解析解。最终给出了一种分析分层各向异性介质电磁波传播特性的广义传播矩阵方法。用它计算各向异性分层介质的反射系数和透射系数以及金属表面各向异性涂层的反射系数,计算结果与FDTD方法所得结果一致。 西安电子科技大学博士论文 分析了二维各向异性介质目标的散射,分别用解析方法和FDTD方法计算了横 各向异性介质柱的Rcs。采用广义的平面波展开方法,求解了二维情况下,一般(非 对称)横各向异性介质圆柱的空间场分布,给出了雷达散射截面的计算表达式。推导 了一般横各向异性介质(有耗、非对称)的二维FDTD离散表达式,讨论了总场—散 射场连接边界的特殊处理方法。对于时谐场情形时,研究复杂边界散射体还采用了三 角形网格剖分的有限差分伊 DFD)方法。采用完全匹配层伊ML)吸收边界对无限长介质 方柱等二维目标进行了计算;分别用FDTD和FDFD方法对部分涂层机翼目标的双 站RCS进行了计算;最后用FDTD方法计算了这种目标的后向RCS。 双各向异性担i.Anisotrop刃有耗介质代表了介质参数的一般情形,用FDTD方法 解决这类电磁学问题是本文的一个尝试。本文从Maxwell旋度方程和双各向异性介质 的本构关系出发,构造了一般介质参数(双各向异性、有耗)的Maxwell方程组,这种 形式代表了几种常见的介质参数情形,即无耗和有耗、各向同性和各向异性、双各向 同性和双各向异性等。应用Yee算法对其进行时域有限差分离散,这样的表达式具有 通用性,其程序代码可以适合上述介质参数的FDTD运算。场量之间的祸合关系用 空间邻近格点的场值平均加以解决。对通常的各向同性复杂目标、单轴各向异性介质 目标进行计算,验证了程序的可靠性。最后对表面各向异性介质涂层目标进行计算, 还计算了双各向同性介质球的RCS。 本文最后讨论了入射波设置时的误差、吸收边界的效果和减少内存需求的算法。 为了克服“插值和投影”带来的入射波设置误差,我们采用了在每一个FDTD时间 步内增加入射波采样次数的算法,减小了入射波的设置误差,相对提高了频率分辨率。 分析了PML吸收边界条件的原理,计算了反射误差。对于各向异性介质,由于计算 时,需要存储前两个时间步,对内存要求至少是各向同性介质计算时的两倍。本文提 出了一种减少FDTD存储变量的算法,即用一种代换使Yee算法中的场分量存储数 目由6个减少为4个,在不改变计算精度的前提下,使可计算的区域增大,提高了 FDTD的计算能力。
【学位授予单位】:西安电子科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2002
【分类号】:V258

【引证文献】
中国博士学位论文全文数据库 前2条
1 魏兵;各向异性介质电磁散射及参数反演研究[D];西安电子科技大学;2003年
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中国硕士学位论文全文数据库 前4条
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4 邹克利;金属各向异性介质组合目标电磁散射分析的矩量法研究[D];电子科技大学;2012年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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中国博士学位论文全文数据库 前1条
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【共引文献】
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10 谢慧;高俊;柳超;梁玉军;;超低频拖曳全向接收天线运动感应噪声研究[J];电波科学学报;2007年05期
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1 赵永久;梁昌洪;;MEI方法中metron的选择[A];1995年全国微波会议论文集(下册)[C];1995年
2 王建朋;韩兴亮;张光甫;王国利;;一种蝶形超宽带天线设计[A];2005'全国微波毫米波会议论文集(第三册)[C];2006年
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中国博士学位论文全文数据库 前10条
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2 邹爱民;低频段脉冲探地雷达技术研究[D];吉林大学;2011年
3 倪炜;空中目标微波辐射特性及检测方法研究[D];华中科技大学;2012年
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10 李应乐;电磁波在雨介质中的传输特性及其中椭球类目标的散射特性研究[D];西安电子科技大学;2005年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 蔡凌云;时域槽天线及几种超宽带带阻天线的研究与设计[D];电子科技大学;2011年
2 罗维;回旋返波管的研究[D];电子科技大学;2011年
3 宇文骊敏;各向异性介质目标电磁散射特性研究[D];西安电子科技大学;2011年
4 田伟;偏置喇叭抛物盒馈源[D];西安电子科技大学;2011年
5 张阿东;基于UPML边界的车载多天线系统FDTD研究[D];西安电子科技大学;2011年
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7 但金国;三维电波传播特性标量抛物型方程的研究[D];杭州电子科技大学;2010年
8 刘仲;超短波双鞭天线的技术研究[D];杭州电子科技大学;2009年
9 何页;共形时域有限差分方法的理论研究及其相关应用[D];南京航空航天大学;2010年
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【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 李明之,王长清,祝西里;用FDTD方法分析涂敷目标的散射[J];北京大学学报(自然科学版);2001年01期
2 葛芳芳,王万录,刘高斌,刘亚静,胡江川;负折射现象的研究进展[J];材料导报;2003年S1期
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4 赵维江,葛德彪;三面角反射器的高频电磁散射分析[J];电波科学学报;1998年03期
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中国重要会议论文全文数据库 前1条
1 晏璎;张玉;赵勋旺;梁昌洪;赵辉;;MOM-PO混合方法分析涂覆有介质涂层目标附近天线方向图[A];2011年全国微波毫米波会议论文集(下册)[C];2011年
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1 梁玉;粗糙面及其与目标复合电磁散射建模及快速计算研究[D];西安电子科技大学;2011年
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10 阙肖峰;导体介质组合目标电磁问题的精确建模和快速算法研究[D];电子科技大学;2008年
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【二级引证文献】
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1 汤炜;胡茂兵;;辅助方程-双向隐式差分法的电磁散射研究[J];电波科学学报;2011年05期
2 杨利霞;葛德彪;魏兵;郑奎松;葛宁;;FDTD并行算法研究:电和磁本构参数均为各向异性情形[J];电子学报;2006年09期
3 魏兵;葛德彪;王飞;龚书喜;;微波段电单轴介质主轴方向确定及参数反演[J];系统工程与电子技术;2010年10期
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1 张玉强;基于DSP的色散介质FDTD算法及相关问题研究[D];西安电子科技大学;2009年
2 曹欣远;应用压缩感知求解宽角度激励下三维电磁散射问题[D];安徽大学;2013年
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1 申宁;岩土孔中的波传播及掺杂介质等效参数研究[D];西安电子科技大学;2005年
2 吴盛辉;PSO算法吸波混凝土优化设计及等效参数提取方法研究[D];西安电子科技大学;2007年
3 张超;等离子体覆盖典型目标的RCS的研究[D];西安电子科技大学;2010年
4 田森;复杂涂覆目标高频电磁散射特性研究[D];南京航空航天大学;2012年
5 开金星;基于矩形波导传输/反射法测量K和Ka波段微波材料电磁参数的研究[D];南京邮电大学;2013年
6 邹克利;金属各向异性介质组合目标电磁散射分析的矩量法研究[D];电子科技大学;2012年
7 孙萌;基于探地雷达的路面粗糙度仿真研究[D];华南理工大学;2013年
【二级参考文献】
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【相似文献】
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6 刘媛;张中杰;滕吉文;;各向异性介质中的最短路径射线追踪[A];中国地球物理第二十一届年会论文集[C];2005年
7 沈号祥;楼晓明;;各向异性介质填充无辐射介质波导的传播特性[A];1989年全国微波会议论文集(上)[C];1989年
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9 刘斌;徐文骏;;轴对称各向异性介质中体波的传播[A];1993年中国地球物理学会第九届学术年会论文集[C];1993年
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中国重要报纸全文数据库 前1条
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10 杨利霞;复杂介质电磁散射的FDTD算法及其相关技术研究[D];西安电子科技大学;2006年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
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2 宇文骊敏;各向异性介质目标电磁散射特性研究[D];西安电子科技大学;2011年
3 刘宪彬;各向异性介质中射线追踪和弱各向异性介质近似方法初步研究[D];中国地震局地球物理研究所;2011年
4 马也驰;井间地震各向异性介质地震波场及参数分析研究[D];长安大学;2012年
5 翁海峰;双各向异性介质球电磁散射解析解的研究[D];杭州电子科技大学;2014年
6 岳斌;各向异性介质叠前时间偏移方法研究[D];中国石油大学(华东);2012年
7 李一琼;有限元法各向异性介质弹性参数反演及其并行算法的研究[D];宁夏大学;2004年
8 常利军;云南地区上地幔各向异性研究[D];中国地震局地球物理研究所;2005年
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10 孙平平;含各向异性左手材料的一维光子晶体的能带特性研究[D];哈尔滨工程大学;2008年
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