目标电磁散射特性的抛物线方程方法研究

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计算机运算能力的提高以及电子通讯技术的发展,为电磁仿真技术奠定了坚实的基础,使得其在军用和民用得到了广泛的应用。常用的电磁场数值仿真方法有时域有限差分法(FDTD)、矩量法(MOM)和有限元法(FEM)等,它们具有很好的计算精度,但是随着计算未知量的增加,对计算资源的需求也随着增加,从而降低了计算效率。高频近似方法对计算机配置要求较低,但其计算精度也会变差。抛物线方程是波动方程的一种近似形式,它可以利用较少的计算资源获得满意的计算精度的结果。抛物线方程方法介于精确数值方法与高频近似方法中间,为两者架起了一座桥梁。  本文对电大目标电磁散射特性的抛物线方程方法进行了探索和研究,可分为以下几方面的内容:  首先,阐述了标量抛物线方程、矢量抛物线方程方法的基本原理,详细说明了抛物线方程方法分析目标电磁散射特性的求解过程。并且研究了基于高阶泰勒级数展开的宽角抛物线方程方法,分别推导了三维宽角Claerbout抛物线方程以及宽角Split-Step Pade抛物线方程,从而能够准确地得到抛物线轴向上更宽角度的双站RCS结果。  然后,研究了基于有限差分的抛物线方程快速求解方法。通过引入交替方向隐格式差分方法,可以对每个迭代面上的未知量逐行逐列地进行求解,从而将一个三维电磁散射问题转换为一系列的一维问题进行求解。同时,利用交替方向显格式进一步加速抛物线方程的求解,实现了迭代面上未知量的显式求解,进一步提高了抛物线方程方法的计算效率。详细讨论了基于MPI的并行技术,基于OPENMP的并行技术以及GPU三种加速技术,使得抛物线方程方法能够稳定、准确、高效地分析理想导体目标的电磁散射特性。  其次,研究了抛物线方程方法与其它方法的混合技术。通过在每个迭代面上使用GLL基函数、径向点插值无网格方法对目标进行建模离散,能够更好地拟合物体的外形,提高抛物线方程方法的计算精度。对抛物线方程的非齐次边界条件进行修正,实现了抛物线方程分析半空间环境下的电磁散射问题。将矩量法与抛物线方程方法结合,利用矩量法计算出来的场值对抛物线方程方法的场值进行修正,从而提高抛物线方程方法分析腔体结构的精度。  再次,研究了时域抛物线方程方法。推导了基于Crank-Nicolson差分格式以及交替方向隐格式的时域抛物线方程的离散格式,比较了他们各自的计算效率。为了保证算法的后时稳定性,提出了基于阶数步进的时域抛物线方程方法,为稳定求解抛物线方程提供了新的手段。  最后,分析了具有旋转对称性散射体的宽带电磁散射特性。利用目标的旋转对称性,仅需用一条母线就足以表示其表面的空间信息,从而大大节省计算资源。使用阶数步进时域积分方程方法对旋转对称导体以及旋转对称介质体的散射特性进行了分析,并使用自适应交叉近似压缩方法加速了矩阵填充和矩阵矢量乘的过程,同时使用MPI/OpenMP混合并行策略加速求解过程。最后,将该思想推广到了抛物线方程方法中,为快速求解旋转对称性体的宽带电磁散射特性提供了新的思路。
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