三維目標(biāo)與隨機(jī)粗糙下墊面復(fù)合電磁散射的FDTD方法研究.pdf

1、目標(biāo)在復(fù)雜環(huán)境中的電磁散射研究應(yīng)用在十分廣泛的領(lǐng)域中。解析方法受其近似條件的約束，對(duì)于復(fù)雜粗糙面和粗糙面上有離散目標(biāo)的復(fù)合電磁散射計(jì)算存在方法上的困難。目前，各種數(shù)值方法求解了二維粗糙面與目標(biāo)電磁散射的建模與計(jì)算，在計(jì)算有限大粗糙面時(shí)，通常采用錐形入射波來(lái)抑制邊緣繞射，但所模擬的粗糙面會(huì)隨著入射角度的增大而顯著增大。在計(jì)算三維粗糙面散射時(shí)，由于未知數(shù)個(gè)數(shù)的增加使得計(jì)算的復(fù)雜度陡然增大，而難以在單臺(tái)PC機(jī)上完成。 本文將隨機(jī)粗糙面

2、看成周期延拓結(jié)構(gòu)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的錐形入射波消除粗糙面的邊緣繞射。討論了一個(gè)周期單元粗糙面的邊長(zhǎng)與其相關(guān)長(zhǎng)度之間的關(guān)系。所需計(jì)算的粗糙面不隨入射角的變化而改變始終為一個(gè)周期單元，因此大大降低三維粗糙面散射計(jì)算量和內(nèi)存。在斜入射情形下入射波在周期方向上存在時(shí)延，因此采用“雙平面波激勵(lì)法”通過(guò)對(duì)正弦和余弦激勵(lì)源分別作用下的電磁場(chǎng)做適當(dāng)?shù)淖儞Q使周期邊界條件得以應(yīng)用。結(jié)合時(shí)域有限差分方法(Finite-DifferenceTime-Domain，F(xiàn)D

3、TD)計(jì)算出粗糙面的電磁散射系數(shù)。 隨后，用FDTD方法建立了三維隨機(jī)粗糙面與上方目標(biāo)的復(fù)合電磁散射模型。粗糙面可以用周期延拓的方法消除邊緣繞射，但不能對(duì)粗糙面上的目標(biāo)也應(yīng)用相同的周期邊界，否則會(huì)引入目標(biāo)的周期性。這里采用在每個(gè)時(shí)間步中先用周期延拓法計(jì)算出粗糙面的近區(qū)總場(chǎng)，再以此作為激勵(lì)源照射粗糙面上方放置單個(gè)三維目標(biāo)的復(fù)合模型，由于沒(méi)有使用周期邊界條件，目標(biāo)不會(huì)被引入周期性。經(jīng)過(guò)迭代求解獲得整個(gè)時(shí)域過(guò)程中三維目標(biāo)和粗糙面相互作

4、用的復(fù)合電磁散射，得到穩(wěn)態(tài)下目標(biāo)與粗糙面的近場(chǎng)分布。利用近遠(yuǎn)場(chǎng)變換公式，計(jì)算出全方位散射角度的單個(gè)目標(biāo)/粗糙面模型的散射系數(shù)。 粗糙面與目標(biāo)之間的多路徑散射會(huì)使窄帶雷達(dá)或單頻連續(xù)波雷達(dá)難以有效地識(shí)別目標(biāo)，需要采用寬頻帶雷達(dá)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)?！半p平面波激勵(lì)法”雖然能在斜入射情形下應(yīng)用周期邊界條件，但是由于設(shè)置的是正弦和余弦激勵(lì)源，只能獲得粗糙面和粗糙面上有目標(biāo)模型在單頻率點(diǎn)下的散射特性。為了充分發(fā)揮FDTD方法的寬頻帶優(yōu)勢(shì)，本文引入

5、了橫向截面波數(shù)為常數(shù)的脈沖波(ConstantTransverse Wave，CTW)。由于CTW脈沖波在周期方向上的波數(shù)保持為常數(shù)，在橫向截面上沒(méi)有時(shí)延，使得周期邊界條件在脈沖波斜入射情形下能夠非常方便地實(shí)現(xiàn)。這種橫向截面波數(shù)為常數(shù)的方法也稱(chēng)為譜FDTD(Spectral FDTD，SFDTD)方法。由此我們建立了粗糙面在寬頻帶下的散射模型，利用周期延拓面法消除邊緣繞射，獲得三維粗糙面在脈沖波激勵(lì)下的時(shí)域散射結(jié)果，經(jīng)過(guò)Fourier變