自然界中許多地貌存在分層現(xiàn)象,為了更好的研究常見分層現(xiàn)象的特征,需要研究分層粗糙面中下墊面對(duì)后向散射特性的影響。本文主要研究使用基于卷積完全匹配層（CPML）的時(shí)域有限差分（FDTD）方法計(jì)算多層隨機(jī)粗糙面的散射特性,從時(shí)域角度出發(fā),分析了均勻介質(zhì)隨機(jī)粗糙面以及多層隨機(jī)粗糙面的散射特性,主要研究分為四部分:（1）研究了FDTD方法中的兩種吸收邊界條件即單軸各向異性完全匹配層（U PML）吸收邊界條件和CPML吸收邊界條件,并且對(duì)這兩種吸收邊界條件進(jìn)行了定性比較,分析了CPML吸收邊界條件應(yīng)用于FDTD方法中相較于UPML方法在計(jì)算隨機(jī)粗糙面散射場(chǎng)的優(yōu)越性,并選定CPML邊界作為本次研究的吸收邊界條件。詳細(xì)介紹了FDTD程序的總場(chǎng)邊界條件和外推邊界條件,驗(yàn)證了使用基于CPML吸收邊界條件的FDTD程序正確性。（2）詳細(xì)推導(dǎo)了時(shí)諧場(chǎng)入射時(shí)的遠(yuǎn)場(chǎng)外推公式,在此基礎(chǔ)上完成了二維半空間FDTD程序的編寫并進(jìn)行了驗(yàn)證,給出了單層二維隨機(jī)粗糙面和雙層二維隨機(jī)粗糙面的FDTD計(jì)算模型,詳細(xì)介紹了模型中每一個(gè)模塊的實(shí)現(xiàn)算法。使用FDT D程序?qū)哂胁煌南到y(tǒng)參數(shù)和隨機(jī)粗糙面參數(shù)的粗糙面進(jìn)行仿真并對(duì)結(jié)果進(jìn)... 

【文章來源】：電子科技大學(xué)四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁(yè)數(shù)】：71 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

Yee元胞中電磁場(chǎng)空間分布圖

電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文8121;21122ttCCtt(2-11)1212(,12,12)3(,12,12)(,1,12)(,,12)4[(,12,1)(,12,)]nnxxnnzznnyyHijkCHijkEijkEijkCyEijkEijkz(2-12)式(2-12)中有：123;41122mmmttCCtt(2-13)其中，C1,C2,C3,C4是與介電系數(shù)、磁導(dǎo)系數(shù)、電導(dǎo)率和導(dǎo)磁率有關(guān)的函數(shù)。同理，可以根據(jù)公式(2-5)，(2-6)，(2-8)，(2-9)獲得yE，zE，yH，zH的差分公式。使用FDTD算法進(jìn)行散射問題求解時(shí)的問題空間劃分如圖2-2所示。圖中總場(chǎng)邊界用于引入入射波，同時(shí)將FDTD計(jì)算區(qū)域劃分為總場(chǎng)區(qū)和散射場(chǎng)區(qū)并將入射波限制在總場(chǎng)區(qū)，使得總場(chǎng)邊界外部區(qū)域只含有散射場(chǎng)，內(nèi)部區(qū)域既含有散射場(chǎng)又包含入射常在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，受限于計(jì)算機(jī)內(nèi)存等原因，F(xiàn)DTD算法只能計(jì)算有限區(qū)域的場(chǎng)，為了能夠模擬無限空間的情況，就必須在計(jì)算區(qū)域外設(shè)置吸收邊界條件用于吸收外向行波，同時(shí)防止邊界出現(xiàn)反射波進(jìn)入散射場(chǎng)區(qū)，影響散射場(chǎng)的計(jì)算。另外，為獲得目標(biāo)的散射系數(shù)等遠(yuǎn)場(chǎng)參數(shù)，根據(jù)表面等效定律，需要獲得并記錄散射場(chǎng)區(qū)場(chǎng)值，因此在散射場(chǎng)區(qū)設(shè)置了一層輸出邊界用于近場(chǎng)外推遠(yuǎn)常綜上所述，F(xiàn)DTD算法中的重點(diǎn)和難點(diǎn)就是連接邊界、吸收邊界、輸出邊界三個(gè)邊界問題的處理[27]。圖2-2散射問題中FDTD問題空間劃分

第二章FDTD基本原理9FFDTD方法作為一種數(shù)值方法，需要考慮算法的穩(wěn)定性和收斂性。所以為了讓FDTD方法得到的解具有準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，離散的空間步長(zhǎng)需要滿足x10,y10,z10(2-14)離散的時(shí)間步長(zhǎng)需滿足CFL條件，它要求時(shí)間增量t相對(duì)于空間網(wǎng)格小于一個(gè)特定的值，即有2221(1/)(1/)(1/)tcxyz(2-15)其中c1是電磁波在介質(zhì)中的相速度；是電磁波的波長(zhǎng)。對(duì)于脈沖信號(hào)，應(yīng)以脈沖信號(hào)帶寬中最大頻率maxf對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)min來代替式(2-15)中的。FDTD算法流程圖如圖2-3所示，首先設(shè)置問題空間和參數(shù)，包括導(dǎo)入散射體，設(shè)置網(wǎng)格參數(shù)和時(shí)間步進(jìn)及初始化電磁場(chǎng)等，計(jì)算FDTD方程中的更新系數(shù)并保存，然后進(jìn)入循環(huán)主體，在不同時(shí)間步更新電磁場(chǎng)并引入入射場(chǎng)，最后應(yīng)用邊界條件吸收外向行波，保存外推邊界上的電磁場(chǎng)數(shù)據(jù)用于遠(yuǎn)場(chǎng)外推，直到循環(huán)結(jié)束。圖2-3FDTD程序流程圖

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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[10]雙網(wǎng)格前后向迭代與譜積分法計(jì)算分形粗糙面的雙站散射與透射[J]. 李中新,金亞秋.  物理學(xué)報(bào). 2002(07)

博士論文
[1]粗糙面及其與目標(biāo)復(fù)合電磁散射的FDTD方法研究[D]. 李娟.西安電子科技大學(xué) 2010

碩士論文
[1]基于雙尺度面元模型的二維海面電磁散射及雜波特性分析[D]. 何敏.西安電子科技大學(xué) 2015



本文編號(hào)：3497745