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FDTD及其并行算法在粗糙面和目标复合电磁散射中的应用

曾浩  
【摘要】: 本文系统地研究了FDTD方法及其并行技术在粗糙面与目标复合电磁散射特性计算中的应用。利用FDTD方法计算了时谐场和瞬态场下简单目标散射、一维粗糙面散射以及一维粗糙面与简单目标的复合散射;同时利用并行FDTD方法计算并分析了复杂目标散射、二维粗糙面散射以及二维粗糙面与复杂目标复合散射。论文的主要工作如下: 1、基于FDTD方法的基本原理,详细描述了电磁散射问题中FDTD方法的各种基本技术,包括差分迭代公式、数值稳定性条件和数值色散现象、吸收边界条件和总场/散射场边界条件设置方式,以及近—远场外推边界,并针对具体的问题给出了相应的数值算例对理论进行了验证。 2、详细描述了二维、三维情况下时谐场近—远场外推方式,利用FDTD方法计算了时谐波入射下二维及三维简单目标的双站雷达散射截面,并对结果进行了校验,验证了算法的正确性;结合一维及二维粗糙面模拟方法,研究了时谐波入射下一维单纯粗糙面的电磁散射特性,讨论了粗糙面相关长度、均方根高度、相对介电常数以及电导率对其散射特性的影响;计算了一维粗糙面与简单目标的复合电磁散射特性,并讨论了目标尺寸以及目标与粗糙面相对位置对散射特性的影响情况。 3、重点阐述了瞬态场情况下近—远场外推公式,计算了高斯脉冲平面波入射下二维及三维简单目标的后向雷达散射截面,并将计算结果与文献结果进行了比较和验证;在此基础上研究了微分高斯脉冲平面波入射下一维单纯粗糙面的电磁散射特性,以及一维粗糙面与简单目标的瞬态散射特性,分析了位于粗糙面散射计算模型不同位置的时域响应,以及不同入射角度下粗糙面后向与镜向雷达散射特性。 4、介绍了并行技术以及常用并行平台的基本知识,对基于MPI平台的并行FDTD方案中区域分解、数据交换、同步技术的实现方式进行了详细说明,进而利用并行FDTD技术研究了复杂目标、二维粗糙面、以及二维粗糙面与复杂目标的复合电磁散射特性,并对并行FDTD算法的优越性进行了分析。


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