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非磁化等离子体覆盖导体柱的ZTFDTD分析

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微波学报 2008年第S1期24卷 49-52页

作者：晏明许金余锡文海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室武汉430033

将归一化的Z变换时域有限差分算法(ZTFDTD)用于仿真电磁波与非磁化等离子体的相互作用,给出了非磁化等离子体的ZTFDTD迭代公式。通过二维模型分别计算了非磁化等离子体覆盖导体柱的双站散射特性,分析了不同等离子体自由电子密度分布,不... 详细信息

将归一化的Z变换时域有限差分算法(ZTFDTD)用于仿真电磁波与非磁化等离子体的相互作用,给出了非磁化等离子体的ZTFDTD迭代公式。通过二维模型分别计算了非磁化等离子体覆盖导体柱的双站散射特性,分析了不同等离子体自由电子密度分布,不同电磁波频率和不同等离子体碰撞频率对雷达散射截面(RCS)的影响。数值结果表明,合理地置等离子体参数,可以增强等离子体隐身效果。

关键词：时域有限差分法 Z变换等离子体隐身各向异性介质完全匹配层雷达散射截面

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全极化探地雷达正演模拟及极化校准技术

全极化探地雷达正演模拟及极化校准技术

作者：邹立龙吉林大学

学位级别：硕士

探地雷达是用高频无线电波来确定介质内部物质分布规律的一种探测方法，采用快速、连续、非接的探测方式，具有采集速度快、分辨率高的特点。探地雷达被广泛的应用于工程、环境、水文地质调查、考古、基础地质调查、矿产勘查、军事探测... 详细信息

探地雷达是用高频无线电波来确定介质内部物质分布规律的一种探测方法，采用快速、连续、非接的探测方式，具有采集速度快、分辨率高的特点。探地雷达被广泛的应用于工程、环境、水文地质调查、考古、基础地质调查、矿产勘查、军事探测、星球探测等领域。但是探地雷达与其他探测方法一样，有着一定的局限性。存在穿透能力弱、多次波及其它杂波干扰严重、单极化的数据获取方式提供信息量有限、天线耦合的影响等缺点。传统的探地雷达的发射接收的都是同一性质的线性极化波，在进行等偏移距测量时，这两个天线以一定的天间距并排垂直于测线放置，工作时发射天线产生一个与天线长轴方向平行的线性极化波，由线性极化波的性质可知，接收天线对平行于天线长轴方向的电场极化成分最敏感。由于发射天线和接收天线的极化方向相同，所以在接收天线中只有平行于天线长轴方向的电场极化成分能够被接收到。电磁波与具有多种电磁波视角的目标表面发生作用后，目标会使电磁波极化产生不同程度的旋转。传统的探地雷达天线只接收与发射天线相同极化方向的反射波。这就造成了目标体反射信息的缺失。在传统的探地雷达天线极化方式的基础上，保持发射天线极化方式不动而使接收天线旋转90°，定义与测线平行的方向为H极化，与测线垂直的方向为V极化，这样天线就有四种极化方式，分别是HH、、HV、 VH VV，其中HH和VV为共极化模式，HV和VH为交叉极化模式。基于以上的原理构建了全极化探地雷达系统，该系统是基于目标体反射信号的矢量特性，通过研究反射信号矢量分量之间关系，从而能够更好的获取地质体和地质表面的几何属性以及结构属性的信息。本文利用时域有限差分方法编写了3D-FDTD正演模拟程序，通过获取不同方向的电磁场分量来模拟全极化测量，对典型目标体进行了正演模拟，获得了不同位置、不同旋转角度下目标体的极化响应特征。发现对于类似金属平板这类的具有单一电磁波视角的目标体极化响应不明显;而对于类似于三面角反射器之类的具有多电磁波视角的目标体极化响应强烈。继续深入探讨了全极化测量模式下的随机表面模型和倾斜裂缝模型的极化响应。发现随机表面的粗糙程度能影响到电磁波的共极化响应和交叉极化响应，并且表面越粗糙，电磁波的交叉极化响应和共极化响应振幅越接近。而对于不同倾角的倾斜裂缝，不同方位角的极化测量的极化响应也不相同，通过获得的交叉极化响应和共极化响应信息可以对倾斜裂缝的方向角进行近似的求取。全极化雷达系统在进行测量时将不可避免的带入诸如环境，系统本身的干扰。这时，如果不对极化雷达系统做一些相对振幅和相位的校准，所得到的测量结果将不能准确的反应目标体的响应。因此，校准的目的是确定测量极化散射矩阵过程中四个测量通道的增益（振幅和相位）(HH,HV,VH,VV)以及估计由发射和接收天线引起的交叉极化畸变的增益。一旦将这些校准系数确定下来，就可以确定并移除系统的影响。本文提出了一种新的极化校准方法，利用0°和45°二面角反射器的理论散射矩阵和测量散射矩阵，通过将极化交调项从极化通道不平衡量和辐射校准中分离出来，避免了忽略高阶项而带来的校准误差，来获取较准确的极化校准系数。为了验证该方法的校准效果，利用全极化探地雷达系统进行了极化校准实验，分别测量了0°、22.5°、45°二面角反射器的测量散射矩阵，计算极化校准系数，分别对0°和45°二面角放射器的测量散射矩阵进行了自校准，同时也对22.5°二面角放射器进行了极化校准。无论从自校准还是极化校准的散射矩阵来看，都得到了很好的效果，特别是交叉极化项，较之以前的方法有了很大的改善。总之，本论文的主要研究内容是利用时域有限差分（FDTD）方法对全极化探地雷达系统进行了正演模拟及提出了一种新的极化校准方法。目的是深入的研究全极化探地雷达系统在目标识别、方位判断、属性提取等的应用，提高探地雷达对地下目标体的识别能力。

关键词：全极化探地雷达系统时域有限差分方法正演模拟各向异性介质完全匹配层极化散射矩阵雷达散射截面二面角反射器极化校准

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毫米波正交模转换器的研究

毫米波正交模转换器的研究

作者：卢瑛南京理工大学

学位级别：硕士

毫米波变极化通信技术和探测技术是当前国内外研究热点，毫米波正交模转换器(OMT)是毫米波双极化通信系统和探测系统的关键部件之一，因此开展毫米波正交模转换器研究具有十分重要的工程价值。由于采用均匀波导实现的正交模转换器具有... 详细信息

毫米波变极化通信技术和探测技术是当前国内外研究热点，毫米波正交模转换器(OMT)是毫米波双极化通信系统和探测系统的关键部件之一，因此开展毫米波正交模转换器研究具有十分重要的工程价值。由于采用均匀波导实现的正交模转换器具有机械强度好、功率容量大和可靠性高等优点，因此本文对采用均匀波导实现的正交模转换器进行深入系统研究，具体研究工作如下： 1) 简要阐述了时域有限差分法(Finite-Difference Time-Domain Method)，对不同吸收边界条件及激励源设置进行了详细的比较分析，得出了适用于波导分析的FDTD计算方法;2) 采用FDTD数值方法对毫米波窄带正交模转换器进行分析，分析结果与HFSS仿真结果吻合较好，验证了本文所研制的分析软件的有效性;3) 设计并研制了毫米波窄带正交模转换器，测试结果达到设计指标，为毫米波双极化探测系统的研制奠定了技术基础;4) 简要介绍了两类结构较复杂、激励方式不同的宽带OMT的设计思路，借助HFSS分析了场结构并给出参数仿真曲线，为近一步开展毫米波宽带OMT的研制提供理论设计基础。

关键词：毫米波正交模转换器各向异性介质完全匹配层平衡同轴探针

时域有限差分法及其在等离子体隐身技术中的应用

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时域有限差分法及其在等离子体隐身技术中的应用

作者：晏明华中科技大学

学位级别：硕士

本论文题目来源于国家自然科学基金重大研究计划项目(No:90405004)——等离子体与吸波涂层组合下飞行器对雷达波散射的数值模拟研究。本文的研究目的是研究和发展高效的适合于等离子体隐身技术的时域有限差分法,并将其用于仿真等离子体... 详细信息

本论文题目来源于国家自然科学基金重大研究计划项目(No:90405004)——等离子体与吸波涂层组合下飞行器对雷达波散射的数值模拟研究。本文的研究目的是研究和发展高效的适合于等离子体隐身技术的时域有限差分法,并将其用于仿真等离子体与电磁波的相互作用。在前人研究的基础上,本文对时域有限差分法(FDTD)及其在等离子体隐身技术中的应用进行了系统的分析和研究。在本文中,对时域有限差分法和等离子体隐身技术两者既进行了个体研究,又将两者相结合研究。本文主要从以下四个部分展开论述: 首先研究了时域有限差分法的基础部分。分析了麦克斯韦旋度方程和Yee元胞及其各场分量节点位置分布,详细给出了直角坐标系中的时域有限差分法离散形式,讨论了时域有限差分法的数值稳定性。其次研究了时域有限差分法的核心部分。详细介绍Berenger完全匹配层(PML)以及各项异性完全匹配层(UPML),阐明了总场边界的处理以及入射波加入的方法,介绍了近—远场变换以及雷达散射截面。然后研究和发展高效的适合于等离子体隐身技术的时域有限差分法,推导出适合色散介质的归一化的Z变换时域有限差分法(ZTFDTD),以德拜介质、人体肌肉组织以及非磁化等离子体为例介绍了ZTFDTD的应用,并给出了三者的ZTFDTD离散形式。最后以等离子体隐身技术的原理、优缺点等为基础,将ZTFDTD较为完整的引入等离子体仿真与计算,开发了基于ZTFDTD、UPML、RCS等的时域有限差分法软件。通过二维模型(不均匀非磁化等离子体柱、非磁化等离子体覆盖导体板以及非磁化等离子体覆盖导体柱)分别仿真了在不同等离子体自由电子密度分布,不同电磁波频率和不同等离子体碰撞频率等下,非磁化等离子体对电磁波的衰减。数值结果表明,等离子体隐身在理论上是有效可行的,合理的设置等离子体参数,可以极大的增强等离子体隐身效果。

关键词：时域有限差分法 Z变换等离子体隐身各向异性介质完全匹配层雷达散射截面

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微波电路的时域谱元快速分析

微波电路的时域谱元快速分析

作者：周丹凤南京理工大学

学位级别：硕士

对于谐振腔或波导之类的电磁器件的设计,数值仿真是相当重要的。由于这个原因,出现了很多数值仿真方法。在这些方法之中,有限元法(FEM)由于其对模型有较好的拟合性,是比较流行的一种数值方法。但是FEM存在一个不容忽视的问题即当它应用... 详细信息

对于谐振腔或波导之类的电磁器件的设计,数值仿真是相当重要的。由于这个原因,出现了很多数值仿真方法。在这些方法之中,有限元法(FEM)由于其对模型有较好的拟合性,是比较流行的一种数值方法。但是FEM存在一个不容忽视的问题即当它应用到时域时每个时间步都涉及到对一个线性方程组的求解,其计算量非常庞大,很浪费时间。本文提出的谱元法是一种特殊类型的有限元方法。它融合了有限元与谱方法的基本思想。谱元法与普通有限元法最大不同点在于基函数的选取。谱元法中的基函数沿用谱方法中的正交多项式,所以该方法继承了谱方法的高精度特性,即随着基函数阶数的增加,计算误差逐渐减少;同时由于所选用的基函数具有正交性,在使用有限元的思路对偏微分方程进行变分求解时,所得到的质量矩阵将为对角阵(矩形网格离散)或块对角阵(曲六面体网格离散)。当转换到时域时,时域谱元法充分应用了这一性质。在时域中,如果对时间的离散采用中心差分格式、龙格-库塔格式或辛格式时,方程组的系数矩阵将只含有质量矩阵,其逆矩阵很容易求得,从而大大降低方程组求解的复杂度,减少了计算时间。在分析微波电路时,需要在计算区域设置适当的边界条件。经研究证明各向异性介质完全匹配层(PML)作为截断边界不仅容易实现而且对电磁波的吸收效果较好。但是,用PML作为截断边界时,会使未知量增加,于是,将一阶吸收边界条件引入到时域谱元法(SETD)中,一阶吸收边界不仅降低了未知量,而且对于低频有很好的吸收效果。对于中高频问题,可用一阶吸收边界代替PEC截断PML外表面,经研究发现利用一阶吸收边界代替PEC截断PML外表面可降低lOdB左右的反射误差。在时域分析方法中,主要有时域有限差分(FDTD)、时域有限元(FETD)等,本文通过几个实例仿真分别与这两种方法进行了对比,验证了时域谱元法的高精度特性和快速的求解速度。

关键词：时域谱元法时域有限元时域有限差分 GLL基函数各向异性介质完全匹配层一阶吸收边界条件

目标电磁散射的面中心立方体网格FDTD方法

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系统工程与电子技术 2021年第10期43卷 2718-2724页

作者：杨利霞汪刘丰陈伟薄勇安徽大学电子信息工程学院安徽合肥230601 目标探测与特征提取安徽省重点实验室安徽六安237000

基于面中心立方体(face-centered cube,FCC)网格的空间结构,由麦克斯韦方程出发,推导了基于FCC网格的单轴各向异性介质完全匹配层(uniaxial anisotropic media perfectly matched layer,UPML)吸收边界条件以及近远场外推边界条件的三维... 详细信息

基于面中心立方体(face-centered cube,FCC)网格的空间结构,由麦克斯韦方程出发,推导了基于FCC网格的单轴各向异性介质完全匹配层(uniaxial anisotropic media perfectly matched layer,UPML)吸收边界条件以及近远场外推边界条件的三维迭代式。通过典型算例,先后验证了基于面中心立方体网格的时域有限差分(FCC-finite difference time domain,FCC-FDTD)方法的UPML吸收边界条件和近远场外推边界条件的正确性。最后通过计算金属球的后向雷达散射截面(radar cross section,RCS)比较了FCC-FDTD方法与传统FDTD方法的计算精度,结果显示FCC-FDTD方法具有更高的计算精度。

关键词：面中心立方体网格时域有限差分方法各向异性介质完全匹配层近远场外推雷达散射截面