目标与海面复合电磁散射中的快速算法研究

作     者：马萌晨 

作者单位：哈尔滨工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李冰;王大钊

授予年度：2017年

学科分类：0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 082601[工学-武器系统与运用工程] 08[工学] 0826[工学-兵器科学与技术] 

主      题：粗糙海面 矩量法 混合算法 FDTD GPU并行算法 

摘      要：近年来,随着科技的发展,各国对海上能源的开发与利用愈加重视。随着美国重返亚太战略的实施,以美国为首的一些国家为针对中国崛起而实施的一系列的战略措施,使得我国南海问题形势日益严峻。提升海上目标的侦查与反侦察,提升对海洋战场的监测与控制能力尤为重要。因此加强目标与海面复合电磁散射特性的研究是重要手段。现阶段针对这一领域的研究多集中在单一目标的理论研究,所用算法大多是以矩量法为代表的数值计算方法。海面因为其本身的粗糙特性,其在数值计算过程中存在计算量大,计算时间长等缺点。针对粗糙海面和多目标复合情形下的电磁散射特性及其加速算法的研究较少。本文主要针对随机粗糙海面与其上方目标复合电磁散射的问题,对一维粗糙海面与二维目标复合情形下的快速算法展开研究。本文的主要工作有:1、基于一维粗糙海面与二维目标复合电磁散射快速算法问题,对国内外现状进行研究介绍。2、针对实际情况,建立了一维粗糙海面与其上方单目标复合情形与一维粗糙海面与其上方多目标复合情形两种典型复合模型。推导了复合模型在垂直极化(VV)入射波下的完整的积分方程和矩阵方程。用矩量法(MOM)对两种复合模型的电磁散射系数进行了计算,并对复合模型在不同参数下的变化情况进行了分析研究。3、采用基尔霍夫近似法(KA)结合矩量法的混合算法对两种复合模型进行分析研究。对混合算法的公式进行了详细的推导,得到了复合散射系数,并且将用混合算法得到的结果和用矩量法得到的结果进行了对比分析,验证了混合算法的可行性。对同一条件下混合算法和矩量法的用时进行了计算统计。实验结果表明混合算法不仅可以保证计算结果的精确性,而且可以大量减少电磁计算所用的时间。之后对混合算法的应用性与局限性做了探讨与分析。4、针对一维粗糙海面与其上方多目标复合散射的问题,采用基于GPU并行算法的FDTD算法对复合模型的计算过程进行了分析,给出了GPU并行加速FDTD算法的方案。之后对GPU并行方法进行了分析与验证,推导了GPU并行算法加速散射系数计算的过程。并将GPU加速计算结果与矩量法结果进行了分析对比。实验结果表明在某些情况下,GPU并行计算方法可以有效的提高电磁散射计算效率。通过以上工作,用矩量法及其加速算法对更符合实际的两种典型复合模型进行了电磁散射特性研究,得到了复合模型全面的电磁散射特性分析。对海上目标的监测与识别等方面有一定的应用价值。