论文摘要
机载、舰载等复杂电大尺寸运载平台中,天线的受扰辐射特性以及多天线系统的电磁兼容性(EMC)分析一直是工程界备受关注的难点课题之一。此外,在高性能天线设计、雷达目标隐身和反隐身技术研究、雷达系统设计与雷达目标识别、现代电子系统电磁兼容性分析等领域,也经常需要对一些具有复杂结构的三维电大尺寸目标作电磁建模。为满足上述工程需求,本文主要研究复杂电大尺寸金属结构的散射和辐射问题,以及电大尺寸运载平台中天线之间的电磁兼容问题;研究目标是对复杂电大尺寸结构作高效电磁建模和快速计算,并最终解决一些实际工程中的难点问题。为此,本文以电磁场表面积分方程(SIE)理论作为理论基础,在经典矩量法(MoM)的基础上使用多层快速多极子方法(MLFMA)来加速求解过程和降低内存需求。论文围绕两类问题展开讨论,第一类是针对天线结构的电磁辐射和耦合问题;第二类是电大尺寸目标的雷达电磁散射特性以及宽带时域(TD)响应问题。对于电磁辐射和耦合问题,以线面连接结构作为主要研究对象,介绍了线面连接模型的三种基函数,详细讨论了线面连接模型的矩量法实现过程。继而采用多层快速多极子方法进行加速,提高了电大尺寸辐射问题的求解能力。为了提高求解效率,对于单频点问题,采用近场阻抗矩阵方程的解作为迭代初值;对于多频点问题,则采用继承迭代法。同时,设计了基于基函数“物理邻居”的预条件方法,该方法考虑对近场贡献最重要的部分,构造简单,并且能够有效加快共轭梯度(CG)类型迭代法的收敛速度。对于电磁散射问题,在分析散射体频域(FD)散射特性的基础上,定义了频域散射矩阵。该矩阵依赖于散射体的几何结构和材料特性、入射波频率、入射方向以及散射方向等。为了得到超宽带(UWB)时域响应,我们首先采用基于频域积分方程的方法求解频域散射结果,然后利用快速傅立叶逆变换(IFFT)将频域散射结果转换到时域。为了描述超宽带时域响应,我们引入了归一化时域响应矩阵。该矩阵与散射矩阵类似,依赖于平面波入射方向和散射方向等。为了考虑地面、海面等环境因素的影响,进一步研究了半空间环境的多层快速多极子方法。对于半空间近场作用,采用严格的半空间并矢格林函数进行处理,这类似于半空间矩量法;对于远场作用的直射场(即未经过半空间分界面反射的直接辐射场),采用对自由空间情况修正后的多层快速多极子方法进行处理;对于远场作用的反射场,采用实镜像方法,该方法物理概念清晰,具有良好的收敛性和稳定性。与离散复镜像方法(DCIT)引入多个复镜像相比,实镜像方法仅引入一个实镜像。因此,实镜像方法大大降低了内存需求和计算量。在电磁辐射和散射分析中,通常遇到一些计算量巨大的问题,例如机载、舰载多天线系统电磁兼容性的分析。为了提高计算效率,扩大计算规模,利用并行计算是非常必要的。为此,本文基于OpenMP实现了适用于多核处理器的并行多层快速多极子方法。该并行算法容易实现,并且并行效率高于目前基于信息传递接口(MPI)的并行算法。作为工程实例,本文利用并行算法分析了飞机、舰船等典型军事编队的电磁辐射和散射问题。文中大量数值结果对于实际工程具有较高参考价值。
论文目录
摘要Abstract第一章 绪论1.1 课题研究背景1.2 课题研究现状1.2.1 电大系统电磁兼容问题研究现状1.2.2 快速多极子方法研究现状1.3 本文主要工作和结构安排1.3.1 主要工作1.3.2 结构安排第二章 金属电磁问题基础理论2.1 引言2.2 电磁场基本理论2.2.1 Maxwell 方程组2.2.2 辅助位函数2.2.3 对偶定理2.2.4 面等效原理2.2.5 均匀媒质中的远区场方程2.3 金属电磁问题表面积分方程2.3.1 问题描述2.3.2 金属问题表面积分方程2.4 矩量法基本原理2.5 线性方程组求解方法2.5.1 直接法2.5.2 迭代法2.6 本章小结第三章 自由空间中的快速多极子方法3.1 引言3.2 快速多极子方法3.2.1 FMM 的数学描述3.2.2 FMM 应用于混合场积分方程3.2.3 FMM 矩阵向量乘积过程3.3 多层快速多极子方法3.3.1 MLFMA 的数学描述3.3.2 MLFMA 矩阵向量乘积过程3.4 多层快速多极子方法的优化3.4.1 转移矩阵的快速计算3.4.2 利用对称性降低内存需求3.4.3 其他优化方案3.5 数值结果与分析3.5.1 自由空间中金属球的双站RCS3.5.2 自由空间中VFY-218 飞机的双站RCS3.6 本章小结第四章 线面连接结构的快速多极子方法4.1 引言4.2 电场积分方程4.3 基函数4.3.1 导体基函数4.3.2 导线基函数4.3.3 连接域基函数4.3.4 矢位和标位4.4 检验过程与矩阵方程4.4.1 检验过程4.4.2 矩阵方程4.5 迭代初值选取策略4.6 预条件方法4.7 数值结果与分析4.7.1 反射面天线辐射方向图4.7.2 窄边波导缝隙阵列辐射方向图4.7.3 预警机平台多天线电磁兼容性分析4.7.4 直升机旋翼对天线方向图的影响4.8 本章小结第五章 半空间环境的快速多极子方法5.1 引言5.2 半空间混合场积分方程5.3 半空间MLFMA 近场作用5.4 半空间MLFMA 远场作用5.5 半空间MLFMA 的对称性分析5.6 半空间MLFMA 中的矩阵向量乘积5.7 数值结果与分析5.7.1 收敛性测试5.7.2 地面上方金属球的双站RCS5.7.3 地面上方金属圆柱的双站RCS5.7.4 地面上车载天线的受扰方向图5.7.5 海面上舰载天线的受扰方向图5.8 本章小结第六章 快速多极子方法分析目标宽带时域响应6.1 引言6.2 散射问题描述6.3 基于频域方法的宽带时域响应6.4 激励源脉冲波形和频谱6.4.1 高斯脉冲6.4.2 Rayleigh 脉冲6.4.3 Blackman-Harris 脉冲6.5 数值结果与分析6.5.1 埋地金属圆柱的时域响应6.5.2 地面上车辆的时域响应6.5.3 自由空间中飞机的时域响应6.6 本章小结第七章 基于OpenMP 的并行快速多极子方法7.1 引言7.2 并行系统7.2.1 硬件平台7.2.2 软件环境7.3 并行算法7.3.1 按盒子并行的方案7.3.2 按平面波并行的方案7.3.3 MPI 与OpenMP 并行算法对比7.4 并行性能评测与影响因素7.4.1 加速比7.4.2 并行效率7.4.3 可扩展性7.5 数值结果与分析7.5.1 精度验证7.5.2 并行效率测试7.5.3 B-2A 隐形飞机雷达散射特性7.5.4 舰载天线辐射特性7.6 本章小结第八章 军事编队电磁问题研究8.1 引言8.2 飞机编队8.3 舰船编队8.4 本章小结第九章 结束语致谢参考文献作者已发表或录用的文章及科研情况
相关论文文献
标签：多层快速多极子方法论文; 线面连接结构论文; 半空间论文; 超宽带论文; 并行计算论文;
