粗糙面及其与目标复合电磁散射建模及快速计算研究

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本论文就粗糙面及其与目标的复合电磁散射中的相关问题开展了系统的研究工作。主要包括高阶微扰法研究一维导体随机粗糙面电磁散射;修正双尺度法结合矢量辐射传输理论和米(Mie)理论研究泡沫覆盖风驱二维粗糙海面电磁散射;EPILE(扩展传播内层展开)+GFBM(广义前后向迭代法)研究一维导体粗糙面与上方及漂浮二维导体目标共存时复合电磁散射;EPILE+FBM(前后向迭代法)研究一维介质粗糙面与上方及下方二维导体目标共存时复合电磁散射;EPILE+FBM研究一维介质粗糙面与上方及下方二维介质目标共存时的复合电磁散射;二维粗糙面、三维目标电磁散射及其复合散射问题。论文主要工作如下:1.建立了一维粗糙面模型,推导得到高阶微扰法高阶项散射系数,针对有限尺寸微粗糙面,引入锥形入射波,克服传统平面波照射下出现的边缘效应,研究了一维随机粗糙面电磁散射问题。通过将数值结果与矩量法结果对比发现,高阶微扰法计算结果与矩量法吻合更好,改进了传统低阶微扰法计算结果不够准确的不足。2.针对风驱实际二维介质粗糙海面有泡沫覆盖时的复合电磁散射问题。采用修正双尺度法(MTSM),计算了海面电磁散射,并结合矢量辐射传输理论(VRT)和Mie理论,计算了水气泡粒子的散射、消光系数及其与海面间的耦合散射。通过与相关实验测量数据进行比对,证实该MTSM+VRT+Mie算法的有效性,同时给出不同入射角、不同散射角、不同入射频率、不同方位角和不同极化方式下的数值结果并进行了详细讨论。3.针对一维导体粗糙面与上方及漂浮二维导体目标共存时的复合电磁散射问题,采用快速数值算法—EPILE来加速下垫粗糙面及其漂浮目标与上方目标间复合散射,采用前后向迭代法(GFBM)加速粗糙面与漂浮目标间复合散射。数值结果不仅有高斯粗糙面与上方圆柱目标复合散射,且有海面与上方导弹及漂浮舰船目标复合散射,均与矩量法进行验证,证实算法能降低计算复杂度,且在保证计算精确度前提下能显著提高计算效率。4.针对一维介质粗糙面与上下方二维导体目标共存时的复合电磁散射问题,采用快速算法—EPILE来加速中间层粗糙面与上下方导体目标间的耦合感应,采用前后向迭代法(GFBM)来加速介质粗糙面局部自感应。数值结果以指数谱粗糙面与上、下方圆柱目标共存复合散射为例,与矩量法进行验证,证实算法能有效降低计算复杂度,且在保证计算精确度的前提下能显著提高计算效率。5.针对一维介质粗糙面与上下方二维介质目标共存时复合电磁散射问题,采用快速数值算法—EPILE来加速中间层粗糙面与上下方介质目标间的耦合散射,采用快速数值算法-前后向迭代法(GFBM)来加速计算介质粗糙面局部自感应散射。数值结果主要以高斯粗糙面与上、下方圆柱目标共存时复合散射为例,同时给出上方介质类导弹目标与下方介质类舰船目标的复合问题,与矩量法进行验证,证实算法能降低计算复杂度,且在保证计算精确度前提下能显著提高计算效率。同时证实,目标越复杂、尺寸越大,EPILE+FBM算法在计算效率上的优势越显著。6.针对二维粗糙面、三维目标电磁散射,采用Delauy优化剖分算法,建立二维粗糙面和三维目标的三角面片优化剖分网格模型,基于RWG基矩量法,采用偶极子模型进行散射场的计算,结果与纯RWG基计算结果及FEKO商用电磁计算软件仿真结果均一致,证实Delay优化剖分算法和偶极子模型的准确合理性。建立二维粗糙面与三维目标复合情形的三角面片剖分模型,采用FEKO电磁仿真软件进行计算,并针对二维粗糙面和三维目标尺寸增加造成计算未知量逾越计算机内存容量情形,采用FEKO并行核外求解技术,将巨额昂贵内存代价转化为由多进程与具更大容量且更低廉的硬盘来负载,计算了更大尺寸粗糙面与目标的复合电磁散射问题。预言硬盘条件容许情形下,该方法可用于计算二维电大尺寸粗糙面与三维电大尺寸任意目标复合散射问题的可行性与可操作性。
摘要第5-7页
ABSTRACT第7-9页
第一章 绪论第12-28页
    §1.1 研究背景及意义第12-13页
    §1.2 国内外研究现状第13-23页
        §1.2.1 随机粗糙表面电磁散射的相关方法第14-16页
        §1.2.2 随机粗糙面与目标的复合电磁散射的相关方法第16-18页
        §1.2.3 单纯粗糙面散射的相关研究及发展历史第18-19页
        §1.2.4 粗糙面与目标复合问题的相关研究及发展历史第19-21页
        §1.2.5 微扰法(SPM)的相关研究及发展历史第21-22页
        §1.2.6 (广义)前后向迭代法((G)FBM)的相关研究及发展历史第22页
        §1.2.7 PILE/EPILE的相关研究及发展历史第22-23页
    §1.3 论文的主要工作第23-28页
        §1.3.1 论文的安排第23-25页
        §1.3.2 论文的主要贡献第25-28页
第二章 一维粗糙面散射的高阶积分微扰法研究第28-44页
    §2.1 引言第28-29页
    §2.2 一维随机粗糙面的相关知识及建模第29-34页
        §2.2.1 一维粗糙面的统计参量第29-31页
        §2.2.2 一维粗糙面的建模第31页
        §2.2.3 数值计算结果及讨论第31-34页
    §2.3 高阶积分微扰法研究一维粗糙面散射第34-43页
        §2.3.1 一维粗糙面散射的亥姆霍兹积分方程第34-35页
        §2.3.2 高阶积分微扰法的公式推导第35-40页
        §2.3.3 数值计算结果及讨论第40-43页
    §2.4 本章小结第43-44页
第三章 风驱二维海面电磁散射修正双尺度法研究第44-60页
    §3.1 引言第44-45页
    §3.2 二维粗糙面的建模第45-48页
    §3.3 双尺度粗糙面电磁散射的基本原理第48-51页
    §3.4 修正双尺度法计算海面电磁散射第51-52页
    §3.5 含泡沫双尺度粗糙海面的矢量辐射传输方程第52-53页
    §3.6 泡沫的消光系数、散射系数和覆盖率第53-55页
    §3.7 数值计算结果及讨论第55-58页
    §3.8 本章小结第58-60页
第四章 一维导体粗糙面与上方及漂浮二维导体目标复合电磁散射研究第60-82页
    §4.1 引言第60-61页
    §4.2 EPILE+GFBM研究粗糙面与上方及漂浮目标共存时的复合散射第61-68页
        §4.2.1 复合场景的建模及复合散射的推导第61-63页
        §4.2.2 EPILE研究复合散射的公式推导第63-65页
        §4.2.3 FBM与GFBM的公式推导第65-67页
        §4.2.4 相对误差与计算复杂度第67-68页
    §4.3 数值计算结果及讨论第68-81页
    §4.4 本章小结第81-82页
第五章 一维介质粗糙面与上下方二维导体目标复合散射研究第82-98页
    §5.1 引言第82-83页
    §5.2 介质粗糙面与上下方导体目标复合散射的EPILE+FBM研究第83-90页
        §5.2.1 复合场景的建模及复合散射的推导第83-86页
        §5.2.2 EPILE+FBM研究复合散射的公式推导第86-89页
        §5.2.3 相对误差与计算复杂度第89-90页
    §5.3 数值计算结果及讨论第90-96页
    §5.4 本章小结第96-98页
第六章 一维介质粗糙面与上下方二维介质目标复合散射研究第98-116页
    §6.1 引言第98页
    §6.2 EPILE+FBM研究介质粗糙面与上下方介质目标复合散射第98-106页
        §6.2.1 复合场景的建模及复合散射的推导第98-103页
        §6.2.2 EPILE+FBM研究复合散射的公式推导第103-105页
        §6.2.3 相对误差与计算复杂度第105-106页
    §6.3 数值计算结果及讨论第106-115页
    §6.4 本章小结第115-116页
第七章 二维粗糙面/三维目标电磁散射及其复合散射的实现第116-138页
    §7.1 引言第116-117页
    §7.2 二维粗糙面/三维目标的电磁散射第117-129页
        §7.2.1 二维粗糙面及三维目标的建模与剖分第117-119页
        §7.2.2 二维粗糙面/三维目标的积分方程及离散第119-123页
        §7.2.3 偶极子散射场的推导第123-126页
        §7.2.4 数值计算结果及讨论第126-129页
    §7.3 二维粗糙面与三维目标复合散射的实现第129-136页
        §7.3.1 二维粗糙面与三维目标复合散射第129页
        §7.3.2 数值计算结果及讨论第129-132页
        §7.3.3 核外并行计算二维粗糙面与三维目标复合散射第132-133页
        §7.3.4 数值计算结果及讨论第133-136页
    §7.4 本章小结第136-138页
结束语第138-140页
致谢第140-142页
参考文献第142-152页
攻读博士期间参加科研项目与发表论文情况第152-153页
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论文编号ABS540306,这篇论文共153页
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