粗糙面及其与目标复合电磁散射的FDTD方法研究

【摘要】： 本文采用时域有限差分方法(Finite Difference Time Domain, FDTD)深入系统地研究了粗糙面及其与目标的复合电磁散射问题。首先研究了时谐场源激励下粗糙面及其与目标的复合电磁散射特性;随后从时域角度出发,分析了脉冲波源激励下均匀介质、色散粗糙面以及它们与目标的复合散射特性;最后研究了各向异性媒质的散射特性,并精确求解了无耗半空间中目标的远区散射场。论文的主要工作如下: 1、基于二维空间中FDTD方法的基本原理,系统地分析了时谐场源激励下一维粗糙面及其与二维目标的复合散射特性,包括一维单层粗糙面的散射、一维分层粗糙面的散射、一维单层粗糙面与二维目标以及一维分层粗糙面与二维目标的复合散射问题。并将FDTD的计算结果与MOM的结果进行了比较,结果表明具有很好的一致性。 2、采用三维空间中并行FDTD方法的基本原理并结合二维粗糙面散射基本理论,详细地研究了时谐场源激励下二维单层粗糙面的散射、二维分层粗糙面的散射以及二维单层粗糙面与三维目标的复合电磁散射。并将二维单层粗糙面的散射结果与基尔霍夫近似方法的结果进行了比较,结果表明两者在中小散射角范围内吻合得很好。 3、推导了二维和三维FDTD空间中瞬态场的外推公式,从时域角度出发,分别研究了脉冲波源激励下一维粗糙面的散射、一维粗糙面与二维目标的复合散射、二维粗糙面的散射、二维粗糙面与三维目标的复合散射特性,并与时谐场源激励下的结果进行了比较和验证。 4、推导了Debye媒质、Lorentz媒质以及Drude媒质的ADE-FDTD公式,为了能更好的吸收外向行波,引入CPML来截断色散媒质。从时域角度出发,数值计算了脉冲波源激励下一维半空间Debye、Lorentz以及Drude媒质的反射和透射系数,并与解析法的结果进行了比较。另外以单极和双极Debye模型为例,分析了一维色散海水、土壤及其与二维目标的复合电磁散射特性,并与时谐场源激励下的结果进行了验证。 5、根据Yee元胞理论,采用均值及插值技术,详细推导了二维和三维空间中电、磁各向异性媒质的FDTD公式,研究了二维和三维各向异性目标的电磁散射特性,并与文献中的结果进行了比较和验证。同时采用MIPML来截断各向异性媒质,以TM波模式为例,数值计算了一维各向异性粗糙面的散射系数角分布。 6、从麦克斯韦方程出发,利用无耗半空间中平面波的混合方式引入法,得到了精确的近场结果,同时运用半空间中近—远场的外推公式,获得了无耗半空间中目标的远区散射场,并与文献中三波法的结果进行了比较和验证。