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地面目标宽带电磁散射特性研究

作　者: 王禹
导　师: 袁乃昌
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 电子科学与技术
关键词: 电磁散射时域有限差分法(FDTD) 色散媒质地面目标紧凑场测量
分类号: TN953
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
下　载: 223次
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内容摘要

随着战场侦察与探测技术的发展,对地面目标特别是地面隐蔽目标的探测与识别已经成为一个重要发展方向。目前,对地面目标的低频宽带散射研究还处于发展阶段,缺乏系统的研究。本文针对地面目标的低频段宽带散射问题,从色散媒质散射算法、地面目标散射建模以及实验验证三个方面开展了相关工作。由于本文研究宽带散射,因此在众多的计算方法中采用了适于时域宽带计算的时域有限差分法(FDTD)作为主要算法。针对色散媒质,FDTD方法需要进行一些特殊处理,本文介绍了目前常用的几种处理方法以及吸收边界条件,并将几种方法基于C语言编程实现了对地下/地面目标的散射计算。针对近年来出现的一些新的时域算法,本文进行了重点研究。时域伪谱法(PSTD)是近年来出现的一种高阶精度方法,理论上每个波长划分两个网格即可实现宽带计算。本文验证了该方法在电大尺寸目标散射中的应用。并进一步结合理论上可节省33%内存的R-FDTD方法,提出了R-PSTD方法,可以进一步减少内存与计算需求,提高了仿真电大尺寸目标的能力。基于交替方向隐式(ADI)技术的FDTD方法也是近来出现的一种时域算法,该方法时间步长不受Courant稳定性条件限制,在计算精度允许的范围内可以增大时间步长。本文纠正了文献中关于三维问题稳定性的推导,率先提出将该方法应用在三维散射计算中,给出了具体实现过程中的一些关键技术。并进一步将该方法扩展应用到色散媒质,详尽推导了二维和三维情况下的迭代公式以及改进的Berenger-PML吸收边界条件在色散媒质ADI-FDTD中的具体实现过程。为提高计算地面目标的散射计算精度,采用锥形平面入射波代替均匀平面波,降低了地面截断边缘的绕射。首次将二维随机起伏表面应用到FDTD计算当中,给出了二维随机起伏表面的具体产生方法。研究了地面目标散射的复合激励法,提出了加入入射波的高效方法。分析了地面目标的散射机理与散射分量的组成,提出了一种节省内存的地面目标散射建模方法。在与文献比较,验证计算与建模方法正确的基础上,系统计算了地面多种简单几何体目标的宽带多极化多角度单站/双站散射。针对复杂目标,应用奇偶点判别法实现了对地面目标面元模型的自动剖分,并计算了M1A1主战坦克、载重卡车以及导弹发射车等复杂目标的宽带多极化多角度单站/双站散射。最后,分析了地面目标散射室内测量的可行性,将地面目标散射引入到室内紧凑场进行。在1.8GHz-5.8GHz频段分别测量了沙土、粘土以及混凝土三种材质地面上导体长方体和圆柱体的宽带后向散射。将仿真结果与测量数据进行了比较,当接近垂直地面入射时两者符合较好。进一步验证了算法与建模的正确性。

全文目录

摘要  12-14
ABSTRACT  14-16
第一章绪论  16-27
  §1.1 研究背景及意义  16-18
    1.1.1 研究意义  16-17
    1.1.2 背景与发展现状  17-18
  §1.2 地面目标散射研究方法概述  18-24
    1.2.1 基本概念  18-19
    1.2.2 数值计算方法  19-22
    1.2.3 散射测量方法  22-24
  §1.3 本文的主要内容及结构安排  24-27
    1.3.1 主要研究内容和贡献  24-26
    1.3.2 论文结构安排  26-27
第二章色散媒质中的FDTD方法  27-53
  §2.1 FDTD方法基本原理  27-29
  §2.2 色散媒质FDTD方法  29-39
    2.2.1 色散媒质的复介电常数  29-30
    2.2.2 递归卷积法  30-34
    2.2.3 分段线性递归卷积法  34-37
    2.2.4 Z变换方法  37-39
  §2.3 适于截断色散媒质的吸收边界条件  39-45
    2.3.1 吸收边界条件简介  39-40
    2.3.2 结合RC-FDTD方法的改进berenger吸收层  40-43
    2.3.3 PML吸收效果  43-44
    2.3.4 复扩展坐标PML原理  44-45
  §2.4 媒质分界面的处理  45-48
  §2.5 后向散射计算结果  48-52
    2.5.1 地面分层介质圆柱的散射  48-50
    2.5.2 地下浅层圆柱体的散射  50-51
    2.5.3 水面的反射与透射  51-52
  §2.6 小结  52-53
第三章时域新算法的研究  53-95
  §3.1 PSTD方法  54-59
    3.1.1 PSTD原理  54-56
    3.1.2 数值稳定性与数值色散  56-57
    3.1.3 计算实例  57-59
  §3.2 一种降低内存的时域计算方法---RPSTD  59-63
    3.2.1 RPSTD方法  59-61
    3.2.2 入射波的加入  61-62
    3.2.3 计算实例  62-63
  §3.3 ADI-FDTD及其在散射中的应用  63-77
    3.3.1 ADI-FDTD方法原理  63-68
    3.3.2 数值稳定性分析  68-71
    3.3.3 数值色散分析  71-72
    3.3.4 ADI-FDTD在散射中的应用  72-77
    3.3.5 散射计算实例  77
  §3.4 二维色散媒质中的ADI-FDTD及其PML实现  77-84
    3.4.1 色散媒质中ADI-FDTD  78-79
    3.4.2 色散媒质中ADI-FDTD的PML  79-82
    3.4.3 计算实例  82-84
  §3.5 三维色散媒质中的ADI-FDTD及其PML实现  84-94
    3.5.1 三维色散媒质中ADI-FDTD  84-88
    3.5.2 三维色散媒质中ADI-FDTD的PML  88-91
    3.5.3 计算实例  91-94
  §3.6 小结  94-95
第四章地面目标宽带散射建模研究  95-120
  §4.1 散射基本概念  95-97
  §4.2 起伏地面的模拟与粗糙度判别  97-100
    4.2.1 粗糙度判别  97-98
    4.2.2 随机起伏地面的模拟  98-100
  §4.3 地面的散射模型  100-106
    4.3.1 地面散射仿真结果  103-106
  §4.4 地面目标的散射模型  106-109
  §4.5 入射波及其引入  109-114
    4.5.1 激励源的设置  109-110
    4.5.2 锥形入射波  110-111
    4.5.3 入射波的引入  111-114
  §4.6 近场到远场的变换  114-115
  §4.7 一种改进的地面目标散射FDTD建模方法  115-119
    4.7.1 改进复合激励法  115-118
    4.7.2 计算结果比较  118-119
  §4.8 小结  119-120
第五章典型地面目标的宽带散射特性  120-143
  §5.1 散射计算方法验证  120-122
    5.1.1 地面上良导体长方体的双站散射  120-122
    5.1.2 地面上良导体圆柱的宽带散射  122
  §5.2 简单几何体目标的散射  122-129
    5.2.1 地面平板的散射  122-123
    5.2.2 地面二面角的散射  123-124
    5.2.3 地面导体球的散射  124
    5.2.4 地面导体圆柱的散射  124-126
    5.2.5 地面介质圆柱的散射  126-127
    5.2.6 地面长方体的散射  127-128
    5.2.7 地面锥体的散射  128-129
  §5.3 复杂目标的网格剖分  129-134
    5.3.1 面元模型的自动剖分原理  130-131
    5.3.2 剖分实现  131-133
    5.3.3 剖分实例  133-134
  §5.4 复杂目标的散射  134-140
    5.4.1 M1A1坦克的宽带散射  134-137
    5.4.2 载重卡车的宽带散射  137-140
  5.4.3 导弹发射车的宽带散射  140-143
    §5.5 小结  142-143
第六章地面目标的室内散射测量  143-154
  §6.1 散射测量基础  143-144
  §6.2 测量系统构建与可行性分析  144-148
    6.2.1 测量系统构建  144-147
    6.2.2 室内测量可行性分析  147-148
  §6.3 测量结果  148-153
    6.3.1 测量与仿真结果对照  149-151
    6.3.2 其他测量结果  151-153
  §6.4 小结  153-154
结束语  154-156
致谢  156-157
参考文献  157-164
作者读博期间发表及撰写的学术论文  164
作者读博期间参与的科研工作  164

地面目标宽带电磁散射特性研究

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