各向异性介质电磁散射及参数反演研究

【摘要】： 含有各向异性介质目标电磁散射问题的分析在许多军事和民用领域具有广泛应 用 FDTD 方法 广义传播矩阵法 边界元法等是处理此类复杂介质目标电磁散射问 题的有效途径 本文着重研究各向异性介质的电磁散射和逆散射 主要包括凹槽和缝 隙填充各向异性介质时的散射和传输特性 含各向异性材料目标的电磁散射 各向异 性介质的参数反演等 考虑到各向异性电磁问题的复杂性 我们对各向异性介质的研 究从一维问题开始 然后再讨论二维和三维问题 本文用 kDB 系方法结合坐标转换法分析了分层无耗各向异性介质的反射 透射 问题 由主系中本构关系的表达式出发通过转换矩阵求得 kDB 系中的本构关系 在 kDB 系中求得其两个特征波解 再由 kDB 系到实验室系的转换矩阵得到特征波解在 实验室系中的表达式 然后 利用分界面上切向场连续的边界条件得到分层单轴各向 异性无耗介质反射系数的表达式 另外 用广义传播矩阵法计算了分层有耗各向异性 介质的反射和透射系数 该方法在实验室系下由各向异性介质中 Maxwell 旋度方程出 发 构造了横向场的状态方程和耦合矩阵 克服了通常情况下确定波矢量的困难 可 以处理相对介电常数和磁导率张量为一般情况下各向异性分层介质的反射 透射问 题 用边界积分方程法和广义网络原理相结合分析了二维金属槽缝填充各向异性介 质时的散射和传输特性 关于金属槽缝填充各向同性介质问题的研究此前已有文献报 道 但金属槽缝填充各向异性介质的散射和传输特性还未见公开文献报道 本文由各 向异性介质无界空间 Green 函数和 Green 恒等式出发 推导了 TM 波入射时各向异性 介质中电场满足的方程 由此得出总电场的积分公式 首次推导出 TM 波入射时金属 边界任意截面反对称各向异性介质所满足的边界积分方程 利用对偶关系可以得到 TE 波入射时金属边界积分方程的表达式 然后 将所得方程转化为矩阵方程 给出 了矩阵方程中自阻抗元素的计算方法以及计算结果 最后 利用边界元法和广义网络 原理计算了包括矩形 梯形 平行四边形和 S 形等多种不同形状槽缝填充各向异性介 质时的散射和传输特性 讨论了槽缝形状对散射和传输的影响 同时分析了填充介质 参数的变化对槽缝散射和传输特性的影响 利用 FDTD 方法分析了二维和三维情况含各向异性材料目标的电磁散射特性 给 出了二维横各向异性介质 FDTD 递推式 推导了介电常数和磁导率张量为一般情况下 各向异性介质三维 FDTD 递推式 讨论了 FDTD 计算中介质交界面上介质参数的等 效方法 提出了一种节省内存和提高计算效率的边界处理方案 计算了二维 三维各 WP=6 -2- 各向异性介质电磁散射及参数反演研究 向异性介质的电磁散射 重点分析了三维各向异性介质板 有金属衬底和各向同性材 料衬底时电各向异性介质板的电磁散射 分析了各向异性介质板的散射和入射波极化 方向的关系 给出了金属球锥体上具有横向和纵向凹槽且其中填充电各向异性有耗介 质时的散射 计算并讨论了金属球锥体表面全部或部分涂覆电磁各向异性介质时的散 射 另外 本文还研究了各向异性介质电磁参数的反演方法 第一 在 kDB 系方法 和广义传播矩阵法的基础上利用遗传算法反演了各向异性介质的电磁参数 先利用电 磁波垂直入射时的反射系数反演出与分界面方向平行的各向异性介质参数矩阵元素 再通过斜入射反射系数反演出与分界面垂直方向的矩阵元素 第二 根据各向异性介 质板后向散射场时域波形和后向 RCS 与介质板损耗和入射波极化方向有关的特点 提出了各向异性介质板横向介电常数和电导率的反演方法 数值仿真结果表明上述两 种方法的可行性 且具有方便 快捷的特点 本文最后讨论了金属目标覆盖非磁性等离子体时的散射特性 推导了色散介质 FDTD 的递推公式 给出了时域计算中电位移矢量 Dr 和电场强度 Er 之间关系的移位算 子法 并用该方法得到了本构关系在离散时域的递推关系 与文献结果比较表明本文 方法的准确性 计算了 Von Karman 型金属目标覆盖均匀等离子体和金属机翼覆盖非 均匀等离子体时的电磁散射