復(fù)雜介質(zhì)電磁散射的FDTD算法及其相關(guān)技術(shù)研究.pdf

1、本文基于Yee元胞理論，采用均值及插值原理，研究了各向異性介質(zhì)電磁散射的FDTD方法，通過(guò)分析各向異性介質(zhì)FDTD迭代式得出，每一電(或磁)場(chǎng)分量所在節(jié)點(diǎn)的FDTD迭代計(jì)算涉及到周圍28個(gè)節(jié)點(diǎn)的場(chǎng)值的結(jié)論。 在各向異性介質(zhì)FDTD串行方法的基礎(chǔ)上，根據(jù)各向異性介質(zhì)FDTD迭代的局域性，分別研究了基于區(qū)域分割技術(shù)的電各向異性介質(zhì)電磁散射的FDTD網(wǎng)絡(luò)并行算法和電磁均為各向異性介質(zhì)的FDTD網(wǎng)絡(luò)并行算法，詳細(xì)分析了FDTD區(qū)域分割后

2、各個(gè)子域之間的數(shù)據(jù)通訊規(guī)律和子域間同步計(jì)算等技術(shù)難點(diǎn)。并分析了各向異性介質(zhì)FDTD網(wǎng)絡(luò)并行算法中的總場(chǎng)邊界、吸收邊界和輸出邊界等特殊邊界的處理方法，從而保證各個(gè)子域都能正確的完成FDTD迭代。介紹了各向異性介質(zhì)FDTD并行計(jì)算的并行平臺(tái)PVM的相關(guān)概念，提出采用主從式的編程模式來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)并行計(jì)算。文中利用該并行方法計(jì)算了典型目標(biāo)電磁散射問(wèn)題，驗(yàn)證了該方法的可行性。分別測(cè)試了電各向異性介質(zhì)電磁散射的FDTD網(wǎng)絡(luò)并行算法和電磁均為各向異性介

3、質(zhì)的 FDTD網(wǎng)絡(luò)并行算法的并行加速比和并行效率。 在單軸各向異性完全匹配層(UPML)理論的基礎(chǔ)上研究了UPML吸收邊界在網(wǎng)絡(luò)并行FDTD算法中的并行化問(wèn)題。研究了UPML吸收邊界在網(wǎng)絡(luò)并行FDTD算法中的實(shí)現(xiàn)途徑，結(jié)合UPML吸收邊界內(nèi)的電磁場(chǎng)FDTD迭代式分析了子域間UPML層的數(shù)據(jù)通信規(guī)律。與Mur吸收邊界的并行化相比，UPML吸收邊界的并行化實(shí)現(xiàn)更為簡(jiǎn)單，編程復(fù)雜度小。 基于Maxwell方程的一階狀態(tài)矢量微分

4、方程描述，得到各向異性材料中橫向電磁場(chǎng)的本征解。再利用金屬襯底和材料分界面上的邊界條件求得材料表面的切向電磁場(chǎng)，最后獲得材料表面上等效電磁流的一般表達(dá)式及其相互關(guān)系。然后根據(jù)表面阻抗等效原理，得到各向異性介質(zhì)表面阻抗等效的理論公式，并且用實(shí)例驗(yàn)證了該公式。 根據(jù)遞推卷積(RC)原理，研究了色散的電各向異性介質(zhì)電磁散射的RC-FDTD方法。提出了通過(guò)逆傅立葉變換(IFFT)，將磁化等離子體的頻域介電系數(shù)過(guò)渡到時(shí)域，再根據(jù)卷積積分原

5、理，引入時(shí)域復(fù)數(shù)極化率張量和時(shí)域復(fù)數(shù)電位移矢量，得到離散時(shí)域帶有卷積和的FDTD迭代式。為了解決FDTD計(jì)算中卷積和的計(jì)算困難，引入中間輔助變量，運(yùn)用遞推卷積原理，得到了電各向異性色散介質(zhì)電磁散射的三維RC-FDTD方法。 提出了磁各向異性色散介質(zhì)電磁散射的三維Pade-FDTD方法。根據(jù)矩陣Pade逼近理論，把磁化色散介質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)系數(shù)張量表示成以jω為自變量的矩陣函數(shù)形式的表達(dá)式；用a/a<,t>代替jω過(guò)渡到時(shí)域；再引入離

6、散時(shí)域移位算子代替時(shí)間微分算子來(lái)處理矩陣函數(shù)形式的磁導(dǎo)系數(shù)張量，進(jìn)而導(dǎo)出磁化色散介質(zhì)中的磁感應(yīng)強(qiáng)度8和磁場(chǎng)強(qiáng)度H之間的關(guān)系，得到了磁各向異性色散介質(zhì)的Pade-FDTD遞推表達(dá)式。提出了一種將描述目標(biāo)表面形狀的三角面元數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為FDTD目標(biāo)幾何模型的投影求交方法，并根據(jù)目標(biāo)的介質(zhì)信息得到相應(yīng)位置Yee元胞的電磁參數(shù)，從而得到目標(biāo)的FDTlD電磁模型。利用這種技術(shù)給出典型目標(biāo)金屬球和圓柱的FDTD網(wǎng)格模型。另外，還根據(jù)某導(dǎo)彈的三角面元數(shù)據(jù)