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复杂电磁环境中快速多极子方法的研究与应用

赵勋旺  
【摘要】: 机载、舰载等复杂电大尺寸运载平台中,天线的受扰辐射特性以及多天线系统的电磁兼容性(EMC)分析一直是工程界备受关注的难点课题之一。此外,在高性能天线设计、雷达目标隐身和反隐身技术研究、雷达系统设计与雷达目标识别、现代电子系统电磁兼容性分析等领域,也经常需要对一些具有复杂结构的三维电大尺寸目标作电磁建模。为满足上述工程需求,本文主要研究复杂电大尺寸金属结构的散射和辐射问题,以及电大尺寸运载平台中天线之间的电磁兼容问题;研究目标是对复杂电大尺寸结构作高效电磁建模和快速计算,并最终解决一些实际工程中的难点问题。为此,本文以电磁场表面积分方程(SIE)理论作为理论基础,在经典矩量法(MoM)的基础上使用多层快速多极子方法(MLFMA)来加速求解过程和降低内存需求。论文围绕两类问题展开讨论,第一类是针对天线结构的电磁辐射和耦合问题;第二类是电大尺寸目标的雷达电磁散射特性以及宽带时域(TD)响应问题。 对于电磁辐射和耦合问题,以线面连接结构作为主要研究对象,介绍了线面连接模型的三种基函数,详细讨论了线面连接模型的矩量法实现过程。继而采用多层快速多极子方法进行加速,提高了电大尺寸辐射问题的求解能力。为了提高求解效率,对于单频点问题,采用近场阻抗矩阵方程的解作为迭代初值;对于多频点问题,则采用继承迭代法。同时,设计了基于基函数“物理邻居”的预条件方法,该方法考虑对近场贡献最重要的部分,构造简单,并且能够有效加快共轭梯度(CG)类型迭代法的收敛速度。 对于电磁散射问题,在分析散射体频域(FD)散射特性的基础上,定义了频域散射矩阵。该矩阵依赖于散射体的几何结构和材料特性、入射波频率、入射方向以及散射方向等。为了得到超宽带(UWB)时域响应,我们首先采用基于频域积分方程的方法求解频域散射结果,然后利用快速傅立叶逆变换(IFFT)将频域散射结果转换到时域。为了描述超宽带时域响应,我们引入了归一化时域响应矩阵。该矩阵与散射矩阵类似,依赖于平面波入射方向和散射方向等。 为了考虑地面、海面等环境因素的影响,进一步研究了半空间环境的多层快速多极子方法。对于半空间近场作用,采用严格的半空间并矢格林函数进行处理,这类似于半空间矩量法;对于远场作用的直射场(即未经过半空间分界面反射的直接辐射场),采用对自由空间情况修正后的多层快速多极子方法进行处理;对于远场作用的反射场,采用实镜像方法,该方法物理概念清晰,具有良好的收敛性和稳定性。与离散复镜像方法(DCIT)引入多个复镜像相比,实镜像方法仅引入一个实镜像。因此,实镜像方法大大降低了内存需求和计算量。 在电磁辐射和散射分析中,通常遇到一些计算量巨大的问题,例如机载、舰载多天线系统电磁兼容性的分析。为了提高计算效率,扩大计算规模,利用并行计算是非常必要的。为此,本文基于OpenMP实现了适用于多核处理器的并行多层快速多极子方法。该并行算法容易实现,并且并行效率高于目前基于信息传递接口(MPI)的并行算法。作为工程实例,本文利用并行算法分析了飞机、舰船等典型军事编队的电磁辐射和散射问题。文中大量数值结果对于实际工程具有较高参考价值。


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