郑宏兴[1]2002年在《各向异性介质涂敷目标的电磁波散射分析与计算方法研究》文中提出随着复合材料在航空工业中的应用，飞行器目标的材料组成也发生了变化，已经不再局限于各向同性介质，如碳纤维复合材料具有典型的各向异性特征。在金属目标表面涂敷雷达吸波材料(RAM)可以有效地缩减目标的雷达散射截面(RCS)，而某些涂敷材料是各向异性的，分析各向异性介质的电磁波散射特性，是军事电子领域的重要课题之一。 时域有限差分方法(FDTD)是一种对Maxwell方程组进行直接求解的数值方法。它既可以分析时谐场，又能计算宽频带脉冲激励时的瞬态场，还能得出任意时刻矢量场各个分量在空间各点的数值，便于分析场的极化特性。因此，FDTD方法已经成为分析复杂目标电磁波散射的重要方法之一。由于FDTD方法在复杂结构的建模方面相对比较灵活，FDTD方法成为分析这类问题的有利工具。 本文对各向异性介质涂敷的复杂目标电磁波散射问题开展研究。从无限大平面分层介质反射系数和透射系数的计算，到叁维散射体的RCS分析，分别应用了广义传播矩阵方法、平面波展开方法以及FDTD等方法对计算结果进行了分析以及对方法本身进行了研究。 首先对无限大平面分层各向异性介质的电磁波传播特性进行分析。在实验室坐标系下由各向异性介质中Maxwell旋度方程出发，构造了关于横向场的状态矢量和耦合矩阵，使Maxwell场方程变为关于状态矢量的一阶微分方程。通过分析均匀各向异性介质中的平面波解，确定了介质内部的本征波矢量的两个独立分量，克服了通常情况下确定波矢量的困难。求解耦合矩阵的本征值和本征矢量给出了半空间各向异性介质界面的反射和透射系数的解析解。求解耦合矩阵所得本征矢量并结合传播矩阵给出了计算分层介质反射系数和透射系数的解析表达式，该式可以处理相对介电常数张量和相对磁导率张量为一般情况下的各向异性分层介质。这里的传播矩阵与各向同性介质传播矩阵的不同之处在于它是一个对角阵，跨越介质界面时是一个单位阵。在此基础上，得到了求解多层介质表面反射系数的递推关系，用该方法研究了金属表面各向异性涂层的反射，给出了单轴介质涂层在几种特殊情况下反射系数的解析解。最终给出了一种分析分层各向异性介质电磁波传播特性的广义传播矩阵方法。用它计算各向异性分层介质的反射系数和透射系数以及金属表面各向异性涂层的反射系数，计算结果与FDTD方法所得结果一致。西安电子科技大学博士论文 分析了二维各向异性介质目标的散射，分别用解析方法和FDTD方法计算了横各向异性介质柱的Rcs。采用广义的平面波展开方法，求解了二维情况下，一般(非对称)横各向异性介质圆柱的空间场分布，给出了雷达散射截面的计算表达式。推导了一般横各向异性介质(有耗、非对称)的二维FDTD离散表达式，讨论了总场—散射场连接边界的特殊处理方法。对于时谐场情形时，研究复杂边界散射体还采用了叁角形网格剖分的有限差分伊 DFD)方法。采用完全匹配层伊ML)吸收边界对无限长介质方柱等二维目标进行了计算;分别用FDTD和FDFD方法对部分涂层机翼目标的双站RCS进行了计算;最后用FDTD方法计算了这种目标的后向RCS。 双各向异性担i.Anisotrop刃有耗介质代表了介质参数的一般情形，用FDTD方法解决这类电磁学问题是本文的一个尝试。本文从Maxwell旋度方程和双各向异性介质的本构关系出发，构造了一般介质参数(双各向异性、有耗)的Maxwell方程组，这种形式代表了几种常见的介质参数情形，即无耗和有耗、各向同性和各向异性、双各向同性和双各向异性等。应用Yee算法对其进行时域有限差分离散，这样的表达式具有通用性，其程序代码可以适合上述介质参数的FDTD运算。场量之间的祸合关系用空间邻近格点的场值平均加以解决。对通常的各向同性复杂目标、单轴各向异性介质目标进行计算，验证了程序的可靠性。最后对表面各向异性介质涂层目标进行计算，还计算了双各向同性介质球的RCS。 本文最后讨论了入射波设置时的误差、吸收边界的效果和减少内存需求的算法。为了克服“插值和投影”带来的入射波设置误差，我们采用了在每一个FDTD时间步内增加入射波采样次数的算法，减小了入射波的设置误差，相对提高了频率分辨率。分析了PML吸收边界条件的原理，计算了反射误差。对于各向异性介质，由于计算时，需要存储前两个时间步，对内存要求至少是各向同性介质计算时的两倍。本文提出了一种减少FDTD存储变量的算法，即用一种代换使Yee算法中的场分量存储数目由6个减少为4个，在不改变计算精度的前提下，使可计算的区域增大，提高了FDTD的计算能力。
付松[2]2015年在《介质涂覆目标表面爬行波寻迹及其电磁绕射建模方法研究》文中指出近年来介质薄涂覆理想导电目标(PEC)表面的电磁散射问题研究渐成热点,相关研究预期将在目标特性、雷达探测、电波传播、电子对抗、天线辐射等军事领域有着广泛的应用前景。随着材料科学以及雷达隐身技术的飞速发展,将具有雷达吸波特性的介质材料涂覆在目标表面,不仅能够吸收雷达的入射波能量,还能通过控制各向异性介质的光轴将散射波能量集中于雷达的非观测方向,从而进一步降低目标的雷达散射截面(RCS)。结合电磁理论中的阻抗边界条件(IBC),表面阻抗模型作为薄介质涂覆PEC目标的一种近似理论模型,可为各向异性介质涂覆目标电磁散射计算方法与建模技术研究提供一条相对便利的途径。因此,本文为了解决介质薄涂覆PEC目标表面电磁散射特性预估中的表面绕射问题,开展了光滑阻抗表面电磁绕射(爬行波绕射)的研究,该项研究的成果可丰富高频电磁场理论及相关建模技术的内容。本文主要内容包括：1)为了完成目标的几何建模,本文深入研究了NURBS及Bezier曲面建模技术,并且给出了若干几何模型的NURBS曲面建模结果。相比于传统的平面片构型,NURBS曲面建模具有精度高,所需曲面片少,不会产生虚假边缘,目标表面几何参数易于获取等优势。考虑到NURBS曲面本身的表达式比较复杂且其导数计算尚缺少一种简单稳定的数值算法,于是采用了考克斯-德布尔(Cox-De Boor)算法将NURBS曲面转换为了一系列有理Bezier曲面的组合。Bezier曲面片数学表达式相对简单为后续稳定的寻迹计算提供了条件。2)研究了任意光滑PEC表面、各向同性介质薄涂覆理想导体表面的爬行波射线寻迹算法。经考察发现传统欧拉法获取爬行波射线轨迹精度差且稳定性不好,于是本文提出了一种自适应变步长欧拉法求解爬行波射线轨迹。该方法不仅继承了传统欧拉法效率优势,而且保证了一定的寻迹精度,提高了算法的稳定性。为了获得更高寻迹精度并兼顾寻迹效率,本文还提出了一种基于测地线性质的目标表面爬行波快速寻迹算法。这两种爬行波寻迹算法为后续光滑PEC/各向同性介质薄涂覆理想导体目标表面电磁绕射建模奠定了基础。3)在爬行波精确寻迹的基础上,研究了任意光滑PEC表面、各向同性介质薄涂覆PEC目标表面电磁绕射计算方法。首先采用阻抗边界条件将各向同性介质薄涂覆PEC目标模型等效为了无厚度的各向同性阻抗表面模型；然后按照光滑曲面一致性几何绕射理论(UTD)的框架,通过构建阻抗曲面绕射UTD算法获得了各向同性阻抗目标表面阴影区的绕射场,经过与解析解的数据对比,验证了该电磁建模方法的正确性。4)研究了任意光滑各向异性介质薄涂覆PEC目标表面电磁波的传播轨迹。首先比照各向异性介质中电磁波模的属性、以及在介质表面上电磁波模式相互耦合的事实,推断出各向异性介质表面一般会激发出两种类型的爬行波：寻常波(OW)与非寻常波(EW)。随后作者根据费马原理以及泛函与变分原理推导出了OW与EW在目标表面的传播轨迹方程,OW满足常见的测地线微分方程,表明OW爬行波绕射属于各向同性阻抗表面的绕射；EW满足作者推导出的非寻常波轨迹微分方程,亦表明EW爬行波绕射属于各向异性阻抗表面的绕射,该绕射需要另建适宜算法进行计算。当目标表面从各向异性退化为各向同性表面时,所推导的非寻常波轨迹微分方程也退化至常见的测地线微分方程。最后分别采用测地线性质法与4阶龙格-库塔法求解了寻常波的测地线微分方程和非寻常波的轨迹微分方程,结合目标几何建模给出了几个具体模型的爬行波寻迹结果及其相关分析。5)在OW与EW爬行波精确寻迹的基础上,初步研究并构建了单轴电各向异性介质薄涂覆PEC目标表面电磁绕射建模算法。算法构建的主要思路如下,鉴于单轴电各向异性阻抗表面沿光轴方向与垂直光轴方向具有两个不同的阻抗赋值,而EW表面爬行波轨迹与光轴方向一般既不平行也不垂直,因此,在EW爬行波轨迹上可定义一个等效的“折合阻抗”参数,与在各向异性介质(自由空间)中EW波传播的折合阻抗类似。通过引入EW爬行波等效折合阻抗参数ZABequ(该参数定义了爬行波传播方向上的阻抗),再直接将ZABequ代入到作者所构建的各向同性阻抗表面绕射UTD算法中,即可进行各向异性阻抗表面EW爬行波的绕射计算。最后给出了几个各向异性阻抗典型形体表面的绕射场并加以了分析。
张凡[3]2014年在《非均匀各向异性阻抗目标电磁散射建模方法研究》文中提出理想导电目标表面涂覆各向异性介质情形下的电磁散射问题,近年来在电波传播、目标特性、雷达探测、电磁兼容、微波遥感、电子对抗、天线辐射等领域有着广泛的应用,具有重要的工程应用前景。目标表面涂敷的各向异性介质不光可以吸收雷达的入射波,还能通过改变介质光轴的方向控制散射场的空间分布,将散射能量集中到雷达的非探测方向,从而实现目标的隐身设计。各向异性阻抗作为一种广泛采用的等效模型,将导电目标表面涂敷的薄介质等效为无厚度的阻抗表面,各向异性介质采用表面阻抗并矢来表征。并通过阻抗边界条件(IBC)在目标表面建立切向电场和切向磁场之间的关系。由于目标表面阻抗与入射波的入射方向以及极化都是有关系的,对于复杂目标的目标表面的不同局部,其表面阻抗也是不一致的,这就导致了各向异性阻抗目标表面阻抗具有不均匀性。且在实际工程应用中目标表面涂覆的各向异性介质材料不可能是完全均匀的,由此得到的阻抗等效模型其表面阻抗也应是非均匀的,如由沙石、土壤、植被等组成的地面是非均匀的,只能等效为非均匀各向异性阻抗。为此,基于实际工程应用的需要,研究非均匀各项异性阻抗目标的电磁散射特性是非常必要的。本文基于阻抗边界条件,研究了非均匀各向异性阻抗目标电磁散射建模方法。目标表面非均匀各向异性阻抗采用为以空间位置为函数的阻抗并矢来表征,并基于阻抗边界条件对目标外表面的切向电场和切向磁场进行约束,只考虑目标外部散射场而忽略内部的场分布,将求解未知量仅限定在目标的外表面,通过表面电磁场积分方程实现目标电磁散射特性建模。针对二维导电目标表面涂覆各向异性阻抗的电磁散射问题,导出了低频矩量法(MM)的原理和实现过程,针对叁维导电目标表面涂覆非均匀各向异性阻抗的电磁散射问题,导出了MM和矩量法(MM)-物理光学(P0)混合算法的原理和实现过程。此外,针对劈形结构的散射问题这一典型问题,研究了表面阻抗周期性分布的各向异性阻抗劈电磁散射的MM-PO算法原理和实现过程。本文内容主要包括：1)研究了二维导电目标表面涂覆非均匀各向异性阻抗的电磁散射问题。推导了二维非均匀各向异性阻抗目标与粗糙面复合散射的MM算法,采用表面电流分解结合射线理论预估,分析了PEC粗糙面上方圆柱和简化舰船的高分辨率一维距离像特性及其耦合成像机理,并定性分析了非均匀各向异性阻抗的引入对距离像的影响。2)研究了叁维导电目标表面涂覆非均匀各向异性阻抗的电磁散射问题。基于阻抗边界条件,推导了非均匀各向异性阻抗目标的MM算法。针对MM在电大尺寸目标电磁散射问题求解中效率低的问题,根据散射体上曲率变化,将边缘、顶角等曲率不连续的区域归为MM区,而PO区则包括其他曲率连续的区域,减小需要精确求解的面片个数,并进一步引入UV矩阵分解技术得到该问题的MM-PO/UV快速算法。3)研究了劈面阻抗周期性分布的各向异性阻抗劈的电磁散射问题。基于UV矩阵分解技术,采用UTD修正的MM-PO算法研究了均匀各向异性阻抗劈的电磁散射特性。基于阻抗边界条件,提出了叁维MM-PO混合算法来求解平面波照射下周期各向异性阻抗劈的电磁散射特性。由于阻抗面的周期性,无穷大劈面上的表面电流可用中心周期单元的电流表示,从而避免计算过程中由于截断而产生的虚假边缘的作用。周期各向异性阻抗劈的劈面划分为MM区和PO区,MM区阻抗矩阵元素的计算通过推导的一系列通用级数来近似计算,并采用绕射电流来修正PO电流得到PO区总电流。
参考文献：
[1]. 各向异性介质涂敷目标的电磁波散射分析与计算方法研究[D]. 郑宏兴. 西安电子科技大学. 2002
[2]. 介质涂覆目标表面爬行波寻迹及其电磁绕射建模方法研究[D]. 付松. 武汉大学. 2015
[3]. 非均匀各向异性阻抗目标电磁散射建模方法研究[D]. 张凡. 武汉大学. 2014
标签：航空航天科学与工程论文; 各向异性论文; 天线阻抗论文; fdtd论文;