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《西安电子科技大学》 2009年
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基于DSP的色散介质FDTD算法及相关问题研究

张玉强  
【摘要】: 鉴于色散介质瞬态电磁问题在隐身技术、生物电磁学等许多领域中的重要性,结合数字信号处理(DSP)理论和技术,对色散介质瞬态电磁问题的FDTD算法及相关问题进行了深入研究,并应用所提出的新方法对一些实际问题进行了分析。 结合DSP理论中的半解析递归卷积(SARC)算法提出了一种用于色散介质的半解析递归卷积时域有限差分(SARC-FDTD)方法。SARC算法是建立在数值逼近理论基础上的一种卷积递归计算方法,具有绝对稳定、高精度、低内存、高效率等优点。将SARC引入色散介质FDTD,在保留RC方法优点的基础上,提高了算法的通用性,使得在应用时只需给出色散介质模型的极点及其留数,即可进行计算,无需再针对色散模型计算更新公式的系数。解决了现有色散介质RC-FDTD方法对于各种色散介质模型需要单独处理,公式推导复杂、不具有通用性的问题。 结合DSP技术中的IIR数字滤波器级联思想,研究了一种高阶有理分式模型色散介质的级联SARC FDTD算法。有理分式是描述介质色散特性的精确、高效的模型之一,常用于复杂介质的色散特性描述。在该方法中,通过先将高阶有理分式频域模型表示为一系列低阶有理分式之积,再将各低阶有理分式表示为时域复指数函数形式,使得高阶色散模型转化为一系列时域复指数函数的卷积,然后通过SARC-FDTD得到求解。解决了现有RC方法处理高阶有理分式模型和渐进稳定色散介质电磁问题时的困难,并将所提算法应用于宽带Lorentz介质、窄带Lorentz介质及其临界情况的分析,表明了算法的有效性。 研究并实现了一种改进的Z变换方法。DSP理论中的脉冲响应不变法当脉冲响应h ( t )在t = 0时刻不连续时是不精确的。如果将传统Z变换直接应用于色散介质FDTD方法将导致高的数值误差。在对脉冲响应不变法改进的基础上,从极化矢量P和电场E的关系入手,重新推导了Z变换FDTD更新公式,解决了原Z变换FDTD方法内存占用大的问题。同时,对于极化率函数时域表达式χ( t)在t = 0时刻不连续的色散介质,还使FDTD计算的精度得到提高。 提出一种基于DSP的色散介质改进SO-FDTD方法。借鉴IIR数字滤波器转置直接Ⅱ型结构和级联实现思想,并对其状态变量方程进行改进,将其引入色散介质SO-FDTD方法中,得到改进SO-FDTD更新公式。减少了高阶色散介质SO方法内存占用、简化了SO方法在处理高阶有理分式形式色散介质时更新公式系数计算。使内存减少量不低于33%,达到与RC方法相同,更新公式系数计算不超过二阶。 提出一种适用于高阶Debye、Lorentz和Drude模型的SO-FDTD方法。借鉴IIR数字滤波器并联思想,从极化矢量P与电场E的关系入手,利用SO方法推导了适用于三种常用色散模型的SO-FDTD更新公式,避免原SO方法在对三种常用色散介质处理时需将低阶有理分式转化为高阶有理分式,简化了公式推导,且三种常用模型对应的更新公式具有统一的形式,适于处理高阶色散介质以及混合模型色散介质,并便于编制通用的计算程序。同时,极大地减少了SO-FDTD方法的内存占用和计算时间。 研究并实现了基于改进SO-FDTD方法和SARC-FDTD方法的UPML吸收边界和CFS-PML吸收边界,可有效地实现色散介质FDTD计算时的计算区域截断。结合所提出的SO-FDTD方法或SARC-FDTD方法,新的PML吸收边界不仅独立于被截断介质,而且PML区域的FDTD更新公式具有不随所截断介质变化的统一形式。 提出一种同时适用于SARC、ADE、改进Z变换及改进SO方法的色散介质FDTD更新公式的统一形式,解决了不同方法因FDTD更新公式不同而带来的使用不便问题。在该统一更新公式中,使用者可以根据所熟悉的FDTD方法和要处理的色散介质,通过给出色散介质模型参数,由独立的建模程序给出建模数据和更新公式所需系数即可进行计算。
【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】:2009
【分类号】:TN011

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【引证文献】
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 王飞;移位算子FDTD方法及相关问题研究[D];西安电子科技大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前2条
1 殷小敏;面向SAR/GMTI目标检测的丛林区域散射特性建模分析[D];杭州电子科技大学;2013年
2 常伟;基于并行计算技术的粗糙面与目标电磁散射快速算法研究[D];西安电子科技大学;2014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8条
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【共引文献】
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7 刘瑜;廖同庆;;现代计算环境下的电磁模拟教学浅议[J];安庆师范学院学报(自然科学版);2011年03期
8 汤炳书;沈廷根;;二维光子晶体透射特性的FDTD数值研究[J];半导体光电;2006年01期
9 李锦屏;杜丽霞;陈伟;;矩形变形脊波导主模截止波长的计算[J];半导体光电;2008年05期
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中国重要会议论文全文数据库 前10条
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7 王均宏;;有耗媒质中目标探测的数值实验[A];信息科学与微电子技术:中国科协第三届青年学术年会论文集[C];1998年
8 Ik Bum Kang;Geun Young Kim;;An improvement in the absorbing boundary technique for numerical simulation of elastic wave propagation[A];中国科学院地质与地球物理研究所2008学术论文汇编[C];2009年
9 常海峰;徐筱麟;鲍峻松;;电磁脉冲对孔缝的耦合效应及防护方法的研究[A];2007北京地区高校研究生学术交流会通信与信息技术会议论文集(上册)[C];2008年
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中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 刘少刚;基于单一平面电容传感器的木材含水率检测系统研究[D];哈尔滨工程大学;2009年
2 徐刚;不规则波中浮体二阶水动力时域数值模拟[D];哈尔滨工程大学;2010年
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5 芮锡;旋转结构体电磁问题的高效分析与应用[D];电子科技大学;2010年
6 廖臣;三维电磁粒子模拟并行算法及其应用研究[D];电子科技大学;2010年
7 荆燕飞;线性方程组迭代法与预条件技术及在电磁散射计算中的应用[D];电子科技大学;2010年
8 任志刚;预条件算法及在电磁场数值模拟中的应用[D];电子科技大学;2010年
9 赖生建;计算电磁学中的径向基无网格法[D];电子科技大学;2010年
10 郑罡;频域有限差分方法的改进研究[D];电子科技大学;2010年
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1 田禹;煤岩双相介质弹性波场数值模拟[D];山东科技大学;2010年
2 滕巍;左手介质基本电磁特性的时域分析[D];哈尔滨工程大学;2010年
3 刘兴鹏;基于微波同轴谐振腔物料密度测量技术的研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
4 王化宇;基于时域有限差分法的微带结构电磁兼容研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
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7 白彦丽;电磁脉冲对开孔屏蔽腔耦合效应的仿真分析[D];沈阳理工大学;2010年
8 王富明;探地雷达的FDTD建模与仿真[D];南昌大学;2010年
9 卢怡;高速动车组车厢屏蔽效能研究[D];北京交通大学;2010年
10 张强;电力机车弓网离线噪声辐射场强车厢内外转换关系的研究[D];北京交通大学;2011年
【同被引文献】
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1 王显德,罗贤云,张忠治,傅君眉;粗糙地面上相邻两树干的电磁散射模型[J];电波科学学报;1999年03期
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5 高正平,刘雪晴,范宇;左手媒质微波空间滤波器特性和设计[J];电子科技大学学报;2005年01期
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中国博士学位论文全文数据库 前8条
1 王飞;移位算子FDTD方法及相关问题研究[D];西安电子科技大学;2010年
2 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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5 黄纪军;FOPEN SAR地面目标散射特性分析及检测研究[D];国防科学技术大学;2005年
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7 王蕊;粗糙面及其与目标复合电磁散射中的相关问题研究[D];西安电子科技大学;2009年
8 王安琪;粗糙面及其与目标复合电磁散射的矩量法研究[D];西安电子科技大学;2013年
中国硕士学位论文全文数据库 前3条
1 万敏;MOM关键技术的研究与实现[D];南京邮电大学;2011年
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【二级引证文献】
中国硕士学位论文全文数据库 前3条
1 沈鹏;复杂媒质微波器件的时域谱元分析[D];南京理工大学;2013年
2 殷小敏;面向SAR/GMTI目标检测的丛林区域散射特性建模分析[D];杭州电子科技大学;2013年
3 奚健;普通媒质与等离子体电磁散射的时域谱元分析[D];南京理工大学;2014年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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10 郑奎松,葛德彪,葛宁;三维电磁散射的网络并行FDTD计算和加速比分析[J];电波科学学报;2004年06期
中国博士学位论文全文数据库 前4条
1 李清亮;海上目标短波散射特性理论与数值研究[D];西安电子科技大学;1998年
2 赵惠玲;高阶各向异性阻抗边界条件的研究[D];西北工业大学;2002年
3 郑宏兴;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[D];西安电子科技大学;2002年
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【相似文献】
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2 林强;单周期超短脉冲光束通过色散介质的传输[J];光电子.激光;1998年06期
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9 魏兵;葛德彪;王飞;;一种处理色散介质问题的通用时域有限差分方法[J];物理学报;2008年10期
10 张玉强;葛德彪;;基于半解析递归卷积的通用色散介质FDTD方法[J];物理学报;2009年07期
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4 邱服民;马平;唐明;;超短脉冲薄膜技术[A];中国工程物理研究院科技年报(2002)[C];2002年
5 姜宇驰;吴世法;;对顶四面锥尖间光增强的数值模拟[A];全国第十三次光纤通信暨第十四届集成光学学术会议论文集[C];2007年
6 王海彬;牛中奇;;极宽频电磁脉冲作用于生物体的分频带(FD)~2TD计算与参数拟合[A];全国非电离辐射与电离辐射生物效应及防护学术研讨会论文汇编[C];2004年
7 汪凯戈;杨国建;许秋生;赵立强;;非线性光学系统中的量子非破坏测量[A];第八届全国量子光学学术报告会论文摘要选[C];1998年
8 王振德;刘念华;;平均折射率为零的半无限一维光子晶体的表面态[A];第十七届十三省(市)光学学术年会暨“五省一市光学联合年会”论文集[C];2008年
9 王祎君;杨利霞;王刚;;一种新的色散介质电磁散射的CDLT-FDTD方法分析[A];2009年全国微波毫米波会议论文集(下册)[C];2009年
10 徐利军;莫锦军;袁乃昌;;ADI-FDTD算法在色散等离子体中的应用[A];2005'全国微波毫米波会议论文集(第二册)[C];2006年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 王飞;移位算子FDTD方法及相关问题研究[D];西安电子科技大学;2010年
2 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
3 王瑞;左手材料电磁特性与时域有限差分算法研究[D];武汉大学;2010年
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7 齐红星;电磁脉冲对人体的作用和数值方法研究[D];华东师范大学;2004年
8 张国平;短距离水下布里渊脉冲无线通信关键技术研究[D];中国海洋大学;2013年
9 王海彬;TDIE/FDTD混合法及其在时域电磁场分析中的应用[D];西安电子科技大学;2007年
10 游开明;宽带脉冲激光的传输和聚焦特性研究[D];武汉理工大学;2009年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 马亚平;金属衬底薄层色散介质的时域有限差分法计算分析[D];南京邮电大学;2013年
2 柏菲;色散介质光子扫描隧道显微镜成像的数值模拟[D];大连理工大学;2005年
3 周允;色散介质混合模型通用FDTD方法[D];西安电子科技大学;2012年
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7 滕晓丽;正常色散介质中双脉冲的传输问题及低频表面波的非线性声光效应[D];陕西师范大学;2003年
8 王建荣;T-C模型中的量子纠缠[D];太原科技大学;2009年
9 刘鱼勇;基于色散光纤的微波光子滤波器研究[D];浙江大学;2007年
10 孟洋;半无限一维光子晶体表面态的理论研究[D];南昌大学;2007年
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