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电磁散射与电磁兼容分析中的高性能数值算法研究

袁军  
【摘要】: 雷达隐身与反隐身技术近些年来发展迅速,实战中已经出现了大量针对现有雷达体制的隐身化目标。目标的电磁散射特性研究一直是电磁场与微波技术领域内重要的研究方向,然而各种新型目标的出现无疑对现有研究工作提出了更高的要求。现代战争要求目标在尽量降低可探测性的同时,还要保证在需要时能随时随地进行各种信息的传递,为提高电子信息化程度,各种目标上不断集成新型设备,这就不可避免的会引发各种电磁兼容问题,尤其是天线间的相互干扰问题。大型平台上天线群的电磁兼容分析同样是一个很重要的课题。根据实际工程需要,在吸收国内外最新研究成果的基础上,本文重点对适用于多种电大目标电磁散射与电磁兼容分析的高性能电磁场数值算法展开研究,作者的主要工作和成果可概括为: 1.研究了适用于良导体表面的自适应多层快速多极子算法及其并行算法。在自适应多层快速多极子算法中分别将矢量基函数和权函数用不同空间位置上的点源函数展开,从而实现了阻抗积分的自适应快速计算,并且所有转移过程可由快速傅里叶变换计算,这种算法中同时引入了转移因子的快速计算与优化存储措施以及一些其它的改进措施,这种算法相对于传统的多层快速多极子算法计算效率大大提高。该算法同时具有很高的并行性,其并行算法可解决电尺寸大得多的良导体目标的电磁仿真问题。 2.研究了适用于均匀介质体、涂层体及组合体表面的自适应多层快速多极子算法及相应的并行算法。首先建立了适用于介质表面及组合体表面的组合电磁场积分方程。采用自适应多层快速多极子算法对方程进行求解时,在远、近场相互作用过程、转移与配置过程中引入自适应快速计算措施,使算法效率获得大幅提升。为进一步扩展算法的应用范围,文中还对该算法的并行算法进行了研究。文中采用串、并行算法对几种介质体、涂层体及组合体目标的电磁散射特性及几种电大平台上天线系统的电磁兼容性进行了分析。 3.研究了一种单元级矢量有限元算法及其并行算法。该算法可在单元级别上完成矩阵与向量的乘法运算,无须生成总体系数矩阵,从而可大大节省计算时间和存储量。该算法具有很高的并行性,文中对该算法的并行算法进行了研究。 4.为分析非均匀介质体及涂层体的电磁特性,研究了一种基于单元级矢量有限元和自适应多层快速多极子算法的快速矢量有限元/边界积分方法。该算法的计算效率相对于传统算法有了很大提高。因为自适应多层快速多极子算法与单元级矢量有限元算法均可进行并行计算,所以这种快速矢量有限元/边界积分方法同样可以进行并行计算,文中研究了该算法的并行算法并分别采用快速矢量有限元/边界积分方法及其并行算法对涂层体目标的电磁散射特性及大型平台上天线系统的电磁兼容性进行了分析,数值实验结果证明了本文方法的有效性。 5.研究了适用于求解不同目标宽带电磁参数的宽带快速算法及其相应的并行算法。宽带快速算法将波形渐进预估技术分别与自适应多层快速多极子算法、快速矢量有限元/边界积分方法相结合,可实现不同目标表面宽带电磁流和电磁场的快速求解,文中同样研究了相应的并行算法,以进一步提升宽带快速算法求解大型目标宽带电磁特性的能力。数值算例及其结果证明了算法是高效、精确的。 6.推导了导体、介质体、组合体上线-面结合结构的快速多极子表达式,讨论了大型平台上天线系统电磁兼容指标的选择问题以及不同指标之间的相互关系,对这些指标在天线电磁兼容中的重要性进行了讨论。建立了大型平台上天线系统电磁兼容分析的几种通用模型,这些模型包括辐射场计算模型、隔离(耦合)度计算模型、干扰功率计算模型及天线布局优化模型,讨论了这些模型的求解方法及大型平台上天线系统电磁兼容分析的流程。最后结合实际工程,集中介绍了车载、机载、舰载及星载平台上天线系统的电磁兼容分析实例,以说明本文介绍的自适应多层快速多极子算法、快速矢量有限元/边界积分法、宽带快速算法及相应的并行算法在实际电磁兼容工程中的应用情况。


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