基于FDTD方法的地球—电离层波导系统极低频/超低频电磁建模与分析

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本文采用球坐标FDTD方法来对地球—电离层波导系统进行极低频/超低频(ELF/SLF)电磁建模与分析,论文的创新点和主要研究工作如下:一.针对球坐标FDTD方法,设计建立了波导系统的二维、三维几何模型,并严格推导相应的FDTD迭代方程以及算法的稳定性条件,同时在不同仿真实验中进行了验证;二.针对传统FDTD方法的耗时多,计算速度慢的特点,我们采用了晶格合并技术对南北极附近的晶格进行合并,降低了极点区域的晶格密度,较大幅度地增加了FDTD时间步,提高了运算速度;三.提出了两种局部区域高分辨率的建模技术,分别对直角坐标系和球坐标系下非均匀FDTD方法进行局部区域高分辨率建模,可以任意改变波导系统内指定区域的网格密度,灵活提取局部区域电磁场的变化特征,满足了实际计算和测量中的高精度要求;四.率先将地理信息系统(GIS)数据、公认的全球陆地—海洋的电磁物理参数(电导率等)以及测量的电离层电导率参数模型,共同融合形成了整个地球—电离层波导系统的真实电磁模型;计算结果表明,该模型真实反映了实际的地球—电离层波导系统的电磁传播特征;五.采用高性能计算技术,对地球—电离层波导系统的ELF/SLF电磁传播进行加速计算。构造基于消息传递(MPI)机制的并行计算环境,并提出了球坐标并行FDTD的区域分割技术,有效提高了计算速度;六.进行ELF/SLF电磁仿真软件的设计工作,使得整个计算系统具有良好的人机交互界面,能够自动输出仿真结果和仿真曲线图,方便地对各种参数进行设置,满足不同用户的需求。
摘要第4-5页
ABSTRACT第5页
图表清单第8-10页
第一章 绪论第10-16页
    1.1 研究背景和科学意义第10-11页
    1.2 国内外研究现状第11-13页
    1.3 作者所做的主要工作及论文内容安排第13-15页
    1.4 本文的结构安排第15-16页
第二章 地球—电离层波导系统的基本电磁建模与分析第16-54页
    2.1 地球—电离层波导系统的基本概念第16页
    2.2 基于二维球坐标FDTD 方法的地球—电离层波导系统的电磁建模第16-29页
        2.2.1 二维球坐标FDTD 方法第17-21页
        2.2.2 二维球坐标的FDTD 方法的边界条件和稳定条件第21-22页
        2.2.3 一种增大球坐标FDTD 时间步的方法第22-27页
        2.2.4 一些计算结果与分析第27-29页
    2.3 基于三维球坐标FDTD 方法的地球—电离层波导系统的电磁建模第29-49页
        2.3.1 三维球坐标FDTD 方法第30-34页
        2.3.2 三维球坐标FDTD 方法的边界条件和稳定条件第34-36页
        2.3.3 电离层电导率的引入第36-38页
        2.3.4 陆地—海洋的电导率的引入第38-42页
        2.3.5 舒曼谐振的介绍与仿真第42-44页
        2.3.6 一些计算结果与分析第44-49页
    2.4 全球ELF/SLF 系统仿真软件第49-53页
    2.5 本章小结第53-54页
第三章 局部区域高分辨率的地球—电离层波导系统建模与分析第54-71页
    3.1 局部区域晶格精细化的必要性第54页
    3.2 基于直角坐标FDTD 的局部区域高分辨率ELF/SLF 电磁建模第54-58页
        3.2.1 直角坐标FDTD 的建模思路第54-55页
        3.2.2 局部区域ELF/SLF 系统仿真软件第55-58页
    3.3 基于球坐标非均匀FDTD 的局部区域高分辨率ELF/SLF 电磁建模第58-69页
        3.3.1 基于球坐标非均匀FDTD 的局部区域高分辨率ELF/SLF 电磁建模的意义第59-60页
        3.3.2 球坐标非均匀FDTD 方法及其稳定条件第60-65页
        3.3.3 一些计算结果与分析第65-69页
    3.4 本章小结第69-71页
第四章 基于球坐标并行FDTD 的ELF/SLF 电磁仿真第71-82页
    4.1 引入球坐标并行FDTD 的必要性第71页
    4.2 基于消息传递(MPI)机制的球坐标并行FDTD 方法的实现第71-80页
        4.2.1 基于MPI 的并行计算环境的搭建第71-74页
        4.2.2 球坐标并行FDTD 的区域分割方法第74-75页
        4.2.3 一些计算结果与分析第75-77页
        4.2.4 球坐标并行FDTD 的并行性能分析与改善第77-80页
    4.3 本章小结第80-82页
第五章 全文总结与展望第82-85页
    5.1 全文总结第82页
    5.2 后续研究工作展望第82-85页
参考文献第85-89页
致谢第89-90页
在学期间的研究成果及发表的学术论文第90-91页
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