發(fā)布時間：2020-05-09 23:11

【摘要】：復(fù)雜環(huán)境(如地/空、海/空半空間環(huán)境)中目標(biāo)的電磁散射問題無論在民用領(lǐng)域還是軍事領(lǐng)域都有著巨大的科學(xué)價值和研究意義。傳統(tǒng)的半空間目標(biāo)散射問題計算方法主要基于半空間格林函數(shù),具有模型簡單,易于幾何模擬和剖分的優(yōu)點(diǎn),但也存在著半空間格林函數(shù)計算復(fù)雜耗時、針對近分界面或者橫跨分界面的目標(biāo)缺乏高效的快速算法等問題。因此,基于等效原理,本文從半空間環(huán)境中目標(biāo)散射問題的物理背景出發(fā),提出并深入研究了基于自由空間格林函數(shù)的半空間目標(biāo)散射模型。并且,在前人工作和本文所提方法的基礎(chǔ)上,對實(shí)際工程中存在的典型問題進(jìn)行了具體的研究和分析。首先,本文總結(jié)回顧了傳統(tǒng)的基于半空間格林函數(shù)的電磁散射計算方法。介紹了半空間格林函數(shù)求解中存在的困難,總結(jié)和分析了索墨菲積分的特點(diǎn),推導(dǎo)給出了半空間格林函數(shù)的表達(dá)式;接著基于等效原理,給出了表面積分方程的推導(dǎo)過程,并從基函數(shù)選擇、矩陣的元素計算等方面具體介紹了矩量法;然后從降低計算內(nèi)存和計算時間的角度出發(fā),詳細(xì)介紹了兩類快速算法,一類是依賴于積分核(半空間格林函數(shù))的半空間多層快速多級子法(MLFMA),其利用加權(quán)實(shí)境像的方法處理反射項(xiàng)部分,該方法僅適用于目標(biāo)位于分界面一側(cè)且遠(yuǎn)離分界面的情況;另一類是代數(shù)型方法,如自適應(yīng)交叉近似法(ACA),它不依賴于積分核,利用斜對角矩陣塊具有的低秩特性對阻抗矩陣進(jìn)行壓縮近似處理,在未知量較多時,該方法的計算效率遠(yuǎn)不如MLFMA。對這些方法的研究和討論,為后續(xù)工作奠定了良好的基礎(chǔ)。針對半空間格林函數(shù)計算復(fù)雜耗時,半空間表面積分方程缺乏高效的快速算法等問題,本文從半空間問題的物理模型出發(fā)對其進(jìn)行簡化,將無限大半空間分界面在有限處進(jìn)行截斷,并將其等效成一有限大的閉合有耗介質(zhì)體,此時,原始半空間環(huán)境下目標(biāo)的散射問題得以簡化,半空間問題由自由空間環(huán)境下復(fù)合介質(zhì)體的散射問題替代。該方法避免了復(fù)雜耗時的索墨菲積分和半空間格林函數(shù)的計算,同時傳統(tǒng)的多層快速多級子算法可以毫無限制地應(yīng)用到該模型的加速中。本文以介質(zhì)目標(biāo)為例,利用等效原理詳細(xì)推導(dǎo)了基于自由空間格林函數(shù)模型的表面積分方程,并通過數(shù)值算例驗(yàn)證了所提方法在無限大平面環(huán)境下的有效性。然后,本文分析討論了基于自由空間格林函數(shù)模型中存在的主要問題及解決方法。針對半空間分界面的截斷問題,分析討論了影響截斷半徑選擇的主要因素,以及不同截斷半徑對計算精度和計算效率的影響;與此同時,針對實(shí)際工程問題中常用的近似模型,本文做了系統(tǒng)的討論和驗(yàn)證,并給出了不同模型的適用場景,為理論研究和工程應(yīng)用提供了一定的參考。接著,本文研究了高對比度介質(zhì)的散射問題。在實(shí)際工程應(yīng)用中,由于下半空間海水或者土壤往往具有較高的相對介電常數(shù),高對比度介質(zhì)的散射問題也是基于自由空間格林函數(shù)模型中的研究難點(diǎn)。針對介質(zhì)目標(biāo)表面積分方程存在的收斂性和精度性問題,本文首先從算子特性出發(fā),重點(diǎn)分析了恒等算子I對收斂性和精度性的影響,提出了一種改進(jìn)型的表面積分方程,該方程通過調(diào)整內(nèi)外方程的組合系數(shù)抵消恒等算子,提高了計算精度;另一方面,我們利用磁流歸一化的方法改善矩陣阻抗特性,加快了收斂速度。然后,基于傳統(tǒng)的PMCHWT方程,本文還提出了一種基于準(zhǔn)亥姆霍茲分解的方法,通過構(gòu)造投影算子,分離L算子中的矢量位和標(biāo)量位,利用歸一化因子,平衡相對介電常數(shù)對L算子中不同分量的影響,從而達(dá)到改善阻抗矩陣特性的目的,提高迭代計算的效率。此外,本文還利用該方法研究了全介質(zhì)光學(xué)納米天線的方向性增強(qiáng)問題。最后,基于半空間目標(biāo)的散射計算問題和研究方法,本文分析了實(shí)際工程應(yīng)用中的相關(guān)問題,主要是:1)通過數(shù)值模擬分析驗(yàn)證了半空間環(huán)境下目標(biāo)散射的布儒斯特角效應(yīng),為復(fù)雜環(huán)境中隱身目標(biāo)的探測提供了新思路;2)利用特征模理論中目標(biāo)的特征模式僅與其幾何結(jié)構(gòu)、材料特性有關(guān)而與外部激勵無關(guān)的特點(diǎn),提出了一種基于特征模計算半空間目標(biāo)寬角散射的方法;3)利用全波數(shù)值仿真,從下半空間介電常數(shù)、天線架設(shè)高度等角度分析研究了半空間環(huán)境對天線輻射性能的影響,針對海面艦船平臺,討論研究了天線位于艦船不同位置時的輻射性能。
【圖文】：

(a) (b)圖 1-1 目標(biāo)探測和遙感遙測領(lǐng)域。(a)位于海面環(huán)境的艦船；(b)基于衛(wèi)星的地球物理勘探在目標(biāo)隱身設(shè)計領(lǐng)域[3,11]，基于電磁建模的數(shù)值仿真技術(shù)是目標(biāo)外形設(shè)計和優(yōu)化的重要手段。針對傳統(tǒng)的空中飛行目標(biāo)，比如美國的隱身攻擊機(jī) F-117，隱身轟炸機(jī) B-2 等目標(biāo)，都已實(shí)現(xiàn)了優(yōu)良的隱身特性。近幾年，世界各國開始研究地/海環(huán)境下目標(biāo)的隱身特性，比如圖 1-2 所示的由美國設(shè)計的可實(shí)現(xiàn)外形隱身的朱姆沃爾特級驅(qū)逐艦和由波蘭研制的 PL-01 型隱身坦克。相比于傳統(tǒng)空中飛行目標(biāo)的設(shè)計，對海面艦船目標(biāo)或者陸地坦克目標(biāo)的隱身設(shè)計必須考慮到地/海環(huán)境的影響因素。

(a) (b)圖 1-1 目標(biāo)探測和遙感遙測領(lǐng)域。(a)位于海面環(huán)境的艦船；(b)基于衛(wèi)星的地球物理勘探在目標(biāo)隱身設(shè)計領(lǐng)域[3,11]，基于電磁建模的數(shù)值仿真技術(shù)是目標(biāo)外形設(shè)計和優(yōu)化的重要手段。針對傳統(tǒng)的空中飛行目標(biāo)，比如美國的隱身攻擊機(jī) F-117，隱身轟炸機(jī) B-2 等目標(biāo)，都已實(shí)現(xiàn)了優(yōu)良的隱身特性。近幾年，世界各國開始研究地/海環(huán)境下目標(biāo)的隱身特性，比如圖 1-2 所示的由美國設(shè)計的可實(shí)現(xiàn)外形隱身的朱姆沃爾特級驅(qū)逐艦和由波蘭研制的 PL-01 型隱身坦克。相比于傳統(tǒng)空中飛行目標(biāo)的設(shè)計，對海面艦船目標(biāo)或者陸地坦克目標(biāo)的隱身設(shè)計必須考慮到地/海環(huán)境的影響因素。
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN011

【參考文獻(xiàn)】

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1 隋棟訓(xùn);童創(chuàng)明;彭鵬;王童;梁海濤;;超低空目標(biāo)的廣義布儒斯特效應(yīng)[J];空軍工程大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);2015年04期

2 何十全;韓奎;聶在平;;基于穩(wěn)健自適應(yīng)頻率采樣的寬頻電磁數(shù)值仿真[J];電波科學(xué)學(xué)報;2014年06期

3 王利軍;郭建明;郝晶;;多徑效應(yīng)對雷達(dá)探測低空巡航導(dǎo)彈的影響[J];雷達(dá)科學(xué)與技術(shù);2010年01期

4 胡俊,聶在平;索末菲爾德積分新方法─—快速漢克爾變換[J];電子學(xué)報;1998年03期

5 潘錦，，文希理;Sommerfeld積分的截斷技術(shù)[J];地球物理學(xué)報;1996年S1期

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1 蔡強(qiáng)明;金屬—介質(zhì)目標(biāo)電磁散射與輻射的高階矩量法及快速算法研究[D];電子科技大學(xué);2017年

2 鄭軼松;米波陣列雷達(dá)低仰角測高若干問題研究[D];西安電子科技大學(xué);2017年

3 郭蘭維;基于分層媒質(zhì)格林函數(shù)的積分方程快速算法研究及其應(yīng)用[D];電子科技大學(xué);2016年

4 柴水榮;壓縮感知和互易性定理在目標(biāo)及粗糙面復(fù)合電磁散射中的應(yīng)用[D];西安電子科技大學(xué);2016年

5 羅萬;半空間環(huán)境中目標(biāo)的電磁散射特性一體化建模及高效算法研究[D];電子科技大學(xué);2016年

6 郭翰;電磁積分方程新型預(yù)條件及直接求解法的研究與應(yīng)用[D];電子科技大學(xué);2015年

7 查麗萍;表面積分方程的高效求解算法研究[D];南京理工大學(xué);2015年

8 呂政良;電磁輻射和散射問題的快速分析方法研究[D];西安電子科技大學(xué);2014年

9 王超;高頻電磁散射建模方法及工程應(yīng)用[D];中國傳媒大學(xué);2009年

10 任儀;基于高階疊層矢量基函數(shù)的快速算法研究[D];電子科技大學(xué);2009年

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3 林也非;半空間目標(biāo)電磁散射問題的快速算法研究[D];電子科技大學(xué);2015年

4 楊梅;高階矩量法在電磁計算中的應(yīng)用研究[D];安徽大學(xué);2011年

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6 麻軍;矩量法及其并行計算在粗糙面和目標(biāo)電磁散射中的應(yīng)用[D];西安電子科技大學(xué);2009年

本文編號：2656887