發(fā)布時間：2020-03-20 01:44

【摘要】：目標與背景(例如海面與海上目標)的復合電磁散射問題的研究,對于微波遙感、目標探測與識別等領域具有十分重要的理論意義和實際應用價值。電磁散射問題的分析方法有理論研究、實驗測量和數(shù)值仿真。理論研究僅能對少量的目標給出解析解、實驗測量受到各種條件的限制例如費用昂貴或難以進行。數(shù)值仿真有很大的靈活性,是目標特性研究的重要輔助手段,在對非合作目標電磁特性的研究中,基本上是主要的依靠手段。考慮到實際情形,復合目標一般是超電大尺寸的復雜目標。一般情形下數(shù)值算法例如矩量法、有限元和時域有限差分方法等都難以滿足實際問題的需求。對于電尺寸十分巨大的復合目標,采用高頻近似的方法是一個很好的解決方案。本文采用解析積分方案改進了現(xiàn)有的時域彈跳射線(Time Domain Shooting and Bouncing Ray,TDSBR)算法,使計算中積分區(qū)域的尺度不再依賴于電磁波頻率。采用KD-Tree對射線與三角面片求交進行加速,明顯的提高了計算效率。進一步,實現(xiàn)了基于MPI(Message Passing Interface)的TDSBR并行計算,并在天河二號上計算了超電大目標與背景的復合電磁散射問題。本文的探索,對于開發(fā)自主、可控的高頻電磁計算軟件,支撐我國復雜環(huán)境電磁特性的仿真等方面具有基礎性的意義。論文的詳情和主要研究成果如下:首先,介紹了基于解析的TDSBR算法的基本原理與實現(xiàn)方法。根據(jù)目標的幾何外形,確定虛擬孔徑面,使得虛擬孔徑面在入射源點下的投影能夠完全遮擋住目標。根據(jù)需要,把虛擬孔徑面剖分為一定數(shù)量的射線管,并且追蹤所有的射線管傳播過程。對射線與目標進行求交測試,找到與射線相交并且距離射線源點最近的三角面片,然后計算反射射線并更新入射源點和入射方向,直到射線不與目標相交為止,記錄最后一次與射線相交的三角面元編號和交點,然后利用解析時域物理光學法(Time Domain Physical Optics,TDPO)計算該點在接收點的遠區(qū)散射場。最后把所有射線管計算的散射場進行疊加得到目標的總散射場。對于與目標沒有交點的初始射線管,視為無效射線管,直接舍去。其次,使用KD-Tree對TDSBR進行算法加速,明顯的提高了計算效率。雖然解析的TDSBR能夠計算海面與超電大目標的復合散射,但仍然存在計算量大的問題,KD-Tree主要是對射線與三角面元的求交過程進行空間加速。本文采用Stack-KD有棧遍歷搜索算法和Rope-KD無棧帶線索遍歷搜索算法對射線追蹤過程進行加速。在對射線追蹤進行空間加速之前,需要構(gòu)建KD-Tree,而KD-Tree質(zhì)量的好壞直接影響到這兩種KD-Tree搜索算法的加速效果。對于Stack-KD算法,需要建立一個堆棧,而對于Rope-KD,需要對節(jié)點的六個面添加線索。兩種KD-Tree搜索算法加速效果非常明顯。再次,實現(xiàn)基于MPI的并行計算,提高計算效率和拓展了算法的應用范圍。本文設計了MPI并行實現(xiàn)方案。從主進程(0進程)進行射線管劃分,然后把射線管信息傳遞到別的進程。根據(jù)射線管之間是相互獨立的,將所有的射線管信息并行劃分到各個線程當中去,所有的線程同時進行射線與目標的求交測試,包括KD-Tree對算法加速過程,并求得各個線程中所有射線管在接收點的遠區(qū)散射總場。最后把各個進程中計算的散射總場信息傳遞到主進程中,然后進行信息的整合疊加,得到目標總的散射場。MPI并行技術大大提高了TDSBR算法的計算效率。國家超算天河二號的計算實際表明,本文算法有良好的兼容性和可擴展性。最后,將本文算法運用到復合目標電磁散射特性的分析。計算了地面+目標、海面+目標和海面+海面上方目標等復合目標的時域電磁散射特性。
【圖文】：

3 階 4 階圖 2. 5 三角形的 3 階及 4 階網(wǎng)格劃分點通過上述方法可以將空間的等相位參考面即虛擬孔徑面劃分為兩個三角形然后進行任意階次的射線管劃分。一個空間三角形 n 階劃分可劃分為 個小三角形，即 根射線管。一個空間四邊形可劃分 根射線管。圖 2.5 為空間三角形的 3 階及 4 階網(wǎng)格劃分點，，可以看出三角形的 3 階劃分可以劃分 64 根射線管，4 階可以劃分為 256 根射線管。2.1.2 四邊形射線管劃分如圖 2.6，四邊形 ABCD 為空間平面四邊形，把線段 AB 和 CD 等分為段，把 AD 和 BC 等分為 段，然后把 AB 和 DC 等分的點對應相連接，把AD，BC 對應的等分點相連接，形成 個空間四邊形，再把每一個空間四邊形劃分為兩個三角形，一共形成 個空間三角形，即可以把在同一平面的空間四邊形劃分為 根三角形射線管。22n22n 2 12n N M 1 M 1 * N 1 2* M 1 * N 1 2* M 1 * N 1

西安電子科技大學碩士學位論文察點均為（0，0，15000），使入射波可以等效為平面波，計算 極化射場。圖 2.19 為金屬平板的模型圖，接收到的時域回波波形圖如圖 2..21：
【學位授予單位】：西安電子科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN011

【參考文獻】

相關期刊論文 前6條

1 殷紅成;朱國慶;董純柱;王超;;基于自適應射線管分裂的多次反射計算方法[J];系統(tǒng)工程與電子技術;2013年04期

2 過潔;徐曉e

本文編號：2591045