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地下目标电磁散射的时域有限差分计算

作　者: 张晓燕
导　师: 盛新庆
学　校: 中国科学院研究生院（电子学研究所）
专　业: 电磁场与微波技术
关键词: 地下目标 电磁散射 时域有限差分法(FDTD) 并行技术 单轴各向异性吸收边界条件(UPML)
分类号: TN011
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
下　载: 376次
引　用: 1次
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内容摘要


地下目标电磁散射是散射计、探地雷达、合成孔径雷达等遥感系统的理论基础之一。本文集成多项计算电磁学中的先进计算技术，建立了地下目标电磁散射的高效、精确计算模型；在建立的地下目标计算模型基础上，开发了地下目标散射的计算程序，并对程序的计算精度和效率作了深入仔细的研究；通过分析计算机软、硬件并行技术，指出了地下目标散射FDTD计算的难点和关键，给出了一种简单、易行的并行方案以及实施结果；利用开发的并行地下目标散射计算程序，对地下目标的散射特征作了计算和分析；最后本文还对各向异性目标，随机粗糙面下的目标的散射作了初步研究。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-10
第一章 绪论  10-20
  1.1 研究背景及意义  10-11
  1.2 地下目标电磁散射特性数值计算研究概况  11-12
    1.2.1 GPR模型  11-12
    1.2.2 遥感散射模型  12
  1.3 FDTD法的发展状况  12-15
    1.3.1 吸收边界条件的发展  13-14
    1.3.2 FDTD算法的发展  14-15
  1.4 计算机并行技术  15-16
    1.4.1 并行硬件平台  15-16
    1.4.2 并行软件环境  16
  1.5 论文结构  16-17
  参考文献  17-20
第二章 求解地下目标散射问题的FDTD方法  20-54
  2.1 引言  20-21
  2.2 UPML模型的建立  21-27
    2 2 1 Yee氏网格  21-22
    2.2.2 UPML时域公式推导  22-24
    2.2.3 UPML参数计算  24-25
    2.2.4 UPML角区域、边区域、面区域、非 PML区的FDTD形式  25-27
  2.3 入射源的强加  27-32
    2.3.1 入射源的数值解析  28-30
    2.3.2 入射源的强加方法  30-32
  2.4 远区散射场的计算  32-44
    2.4.1 半空间互易原理的应用  32-34
    2.4.2 半空间Green函数的推导  34-37
    2.4.3 半空间频域远场外推  37-38
    2.4.4 无耗半空间单站 RCS计算—时域远场外推  38-43
    2.4.5 有耗半空间单站 RCS计算—频域远场外推  43-44
    2.4.6 输出边界面上的数据存储  44
  2.5 目标散射体的FDTD建模  44-46
  2.6 界面边界的处理  46-49
    2.6.1 界面参数的普通处理  46-47
    2.6.2 金属曲面共形  47-48
    2.6.3 介质曲面共形  48-49
  2.7 FDTD的参数设置  49-50
    2.7.1 FDTD离散网格的确定  49
    2.7.2 入射源形式  49-50
    2.7.3 计算时间步估算  50
  2.8 地下目标散射计算模型的特点与建模难点总结  50-53
  参考文献  53-54
第三章 FDTD模型的计算性能验证  54-72
  3.1 引言  54
  3.2 UPML的吸收性能验证  54-56
    3.2.1 自由空间  55-56
    3.2.2 有耗半空间  56
  3.3 算法的稳定性与收敛性分析  56-58
    3.3.1 自由空间  56-57
    3.3.2 半空间  57-58
  3.4 半空间FDTD算法的检验  58-62
    3.4.1 入射源验证  58-60
    3.4.2 频域远场外推算法的验证  60-61
    3.4.3 时域远场外推算法的验证  61-62
  3.5 FDTD算法的计算精度  62-65
    3.5.1 后向散射单站 RCS的计算精度  63-64
    3.5.2 双站 RCS的计算精度  64-65
  3.6 误差分析与解决方案  65-70
    3.6.1 散射体建模引起的误差  65-66
    3.6.2 梯度近似引起的误差  66-67
    3.6.3 半空间入射源解析引入的误差  67-70
  3.7 本章小结  70-71
  参考文献  71-72
第四章 地下目标散射的并行 FDTD计算  72-90
  4.1 引言  72
  4.2 地下目标散射计算模型在并行 FDTD中的难点  72-75
    4.2.1 负载不平衡  72-73
    4.2.2 通信开销大  73
    4.2.3 并行化编写难度大  73-75
  4.3 并行计算平台介绍  75-77
    4.3.1 硬件平台  75-76
    4.3.2 软件平台  76-77
  4.4 地下目标散射的FDTD并行计算方法  77-85
    4.4.1 并行程序的设计模式  77-78
    4.4.2 区域分割与负载平衡调节  78-81
    4.4.3 数据交换技术  81-83
    4.4.4 程序实现流程  83-84
    4.4.5 主要使用的MPI库函数简介  84-85
    4.4.6 地下目标散射计算并行 FDTD的关键技术总结  85
  4.5 并行程序检验  85-88
  4.6 本章小结  88-89
  参考文献  89-90
第五章 典型地下目标远场散射特征的初步分析  90-102
  5.1 引言  90-91
  5.2 入射角度对地下目标散射远场的影响  91-92
    5.2.1 弱损耗地下目标  91
    5.2.2 强散射地下目标  91-92
  5.3 掩埋深度对地下目标散射远场的影响  92-93
  5.4 土壤电参数对地下目标回波的影响  93-95
    5.4.1 土壤有耗(电导率)程度的影响  93-94
    5.4.2 土壤介电常数变化的影响  94-95
  5.5 地下目标 RCS形状特征的初步探讨  95-99
    5.5.1 单站 RCS特征  95-97
    5.5.2 双站 RCS特征  97-99
  5.6 本章小结  99-101
  参考文献  101-102
第六章 当前工作与展望  102-118
  6.1 引言  102-103
  6.2 各向异性介质的FDTD计算  103-110
    6.2.1 各向异性材料结构  103-104
    6.2.2 各向异性介质中的FDTD方程  104-106
    6.2.3 场的插值处理  106
    6.2.4 算法验证  106-108
    6.2.5 稳定性与收敛性分析  108-110
  6.3 复杂土壤模型的建立  110-114
    6.3.1 三维随机粗糙面的生成原理  110-112
    6.3.2 随机介质模型  112-113
    6.3.3 随机土壤模型的建立结果  113-114
  6.4 下一步的工作目标  114
    6.4.1 算法的改进  114
    6.4.2 应用范围的扩展  114
  6.5 本章小结  114-116
  参考文献  116-118
攻读博士期间发表的学术论文  118-119
致谢  119

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 一般性问题 > 基础理论 > 电波传播、传播机理
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