復雜粒子對任意入射高斯波束散射的數(shù)值方法研究.pdf

1、本文采用數(shù)值方法系統(tǒng)地研究了任意形狀金屬粒子、任意形狀均勻介質粒子、任意形狀的非均勻粒子、隨機離散粒子和分形凝聚粒子對任意入射高斯波束的散射。主要工作成果如下：
　　 1.將Davis-Barton五階近似波束模型與坐標系旋轉理論相結合，導出了任意入射高斯波束電磁場分量的表達式，為采用數(shù)值方法研究復雜粒子對任意入射高斯波束的散射問題奠定了基礎。相對于通常采用的傍軸近似或一階近似，本文采用的Davis-Barton五階近似能夠更準

2、確的描述作為激勵源的高斯波束，尤其是強會聚的高斯波束。
　　 2.深入研究了用于求解積分方程的矩量法和快速多極子方法，特別是研究了積分方程離散后計算阻抗矩陣元素時奇異積分的處理。獨立編寫了用于分析任意形狀三維金屬粒子散射問題的矩量法程序和快速多極子方法程序。首次采用基于面積分方程的矩量法及其快速算法研究了任意形狀金屬粒子對任意入射高斯波束的散射。通過將數(shù)值計算結果與廣義米理論(GLMT)的結果比較，證明了所編寫程序的正確性，同時

3、也表明了采用數(shù)值方法研究復雜粒子對任意入射高斯波束散射問題的可行性。
　　 3.深入研究了用于分析均勻介質目標散射問題的PMCHW方程和JMCFIE方程，編寫了基于PMCHW方程和JMCFIE方程的矩量法程序及其快速算法程序。首次采用矩量法及其快速算法研究了任意形狀均勻介質粒子對任意入射高斯波束的散射。將高斯波束入射下均勻介質球形粒子散射問題的數(shù)值計算結果與GLMT的結果進行了對比，結果吻合的很好。同時還給出了一些文獻中沒有出現(xiàn)

4、過的非球形均勻介質粒子對任意入射高斯波束散射問題的數(shù)值結果，這些數(shù)值結果可以作為采用其它數(shù)值方法研究任意形狀均勻介質粒子對高斯波束散射問題時的參考。
　　 4.首次采用基于面積分方程的矩量法研究了任意形狀的金屬介質復合粒子和多種介質復合粒子兩種典型非均勻粒子對任意入射高斯波束的散射。給出了用于分析金屬介質復合粒子和多種介質復合粒子散射問題的面積分方程及離散后阻抗矩陣元素的計算公式，并編寫了相應的程序。通過將數(shù)值計算結果與GLMT

5、的結果比較，驗證了公式和程序的正確性，同時還給出了高斯波束入射下一些復雜非均勻粒子散射問題的數(shù)值計算結果。
　　 5.首次采用基于面積分方程的特征基函數(shù)方法(CBFM)研究了隨機離散金屬粒子和隨機離散均勻介質粒子對任意入射高斯波束的散射。詳細推導了用于分析金屬離散粒子和均勻介質離散粒子散射問題的面積分方程及其離散后阻抗矩陣元素的計算公式，著重闡述了求解矩陣方程的特征基函數(shù)方法。提出了一種用于分析非均勻離散粒子散射問題的混合有限元

6、-邊界積分-特征基函數(shù)方法(FE-BI-CBFM)。對于三種類型的隨機離散粒子，分別給出了若干算例。
　　 6.提出了一種研究分形凝聚粒子散射問題的新思路：采用混合矢量有限元.邊界積分(FE-BI)方法研究由許多互不重合的基本球形粒子組成的凝聚粒子的散射問題。具體闡述了混合矢量有限元-邊界積分方法求解凝聚粒子散射問題的基本原理，并采用該方法研究了煤煙凝聚粒子對任意入射高斯波束的散射，給出了若干算例，包括單個煤煙凝聚粒子對任意入射