粗糙海面與目標復(fù)合電磁散射相關(guān)算法的研究與優(yōu)化.pdf

1、粗糙海面及其與目標的復(fù)合電磁散射在海洋通信、雷達預(yù)警和目標探測等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。本論文針對微波頻段下海面與目標復(fù)合電磁散射的計算展開了系統(tǒng)研究，對電大復(fù)雜目標、粗糙海面以及海面與目標復(fù)合電磁散射相關(guān)計算方法進行了分析和改進。
　　本論文的具體工作和研究成果包括以下內(nèi)容：
　　1）在對矩量法（MoM）和多層快速多極子算法（MLFMA）深入研究的基礎(chǔ)上，利用 MLFMA實現(xiàn)了對自由空間電大導體目標電磁散射特性的分析。為了

2、解決 MLFMA分析電大導體目標散射問題的快速求解問題，提出了預(yù)修正多層快速多極子方法（PCMLFMA）。該方法利用物理光學方法（PO）得到導體表面的物理光學電流分布，并將其作為預(yù)修正電流，通過伽略金方法將物理光學電流生成一個稀疏阻抗矩陣?；谖粗娏骱皖A(yù)修正電流之間的差別比未知電流本身更接近于零矢量的原理，使用兩者的差矢量代替未知矢量以獲得更少的迭代步數(shù)。數(shù)值結(jié)果證明PCMLFMA可以減少迭代次數(shù)進而顯著提高計算效率。
　　2）

3、深入研究了體積分方程（VIE）和體面分方程（VSIE）的相關(guān)理論，基于矩量法詳細推導了體積分方程矩量法（VIE-MoM）和體面積分方程矩量法（VSIE-MoM）的相關(guān)公式和實現(xiàn)過程。為了能夠分析復(fù)雜目標（介質(zhì)目標和導體-介質(zhì)混合目標）的電磁散射，建立體積分矩量法（VIE-MoM）和體面積分方程矩量法（VSIE-MoM）計算模型，并將體積分方程矩量法和體面積分方程矩量法的編程計算結(jié)果與商業(yè)軟件做了對比，驗證了本文計算模型的正確性。

4、　　3）在深入研究圖形電磁學（GRECO）相關(guān)高頻理論和實現(xiàn)過程的基礎(chǔ)上，對傳統(tǒng)的GRECO進行改進，提出了陰影面修正圖形電磁學求解方法（SCGRECO）用于分析（超）電大目標的雙站電磁散射特性。該方法基于GRECO計算光照面電流的貢獻，并結(jié)合電流步進法（CMT）計算陰影面電流的貢獻，進而對目標光照面的電磁散射貢獻進行補償，彌補了傳統(tǒng)高頻方法僅僅計算光照面的電流貢獻而導致的誤差。數(shù)值計算結(jié)果表明，SCGRECO大大提高了目標雙站電磁散射

5、的計算精度。
　　4）針對粗糙海面電磁散射問題，基于海譜模型和線性疊加理論，完成了隨機粗糙海面的建模。利用基爾霍夫近似方法（KA）對粗糙海面電磁散射進行計算，將整個海面劃分成許多小平面面元，推導了單個剖分面元上 KA的解析解，最終提出了面元化基爾霍夫近似方法（FBKA），突破了蒙特卡洛方法所要求的網(wǎng)格細化要求，對（超）電大尺寸海面電磁散射實現(xiàn)快速計算。數(shù)值結(jié)果反映出該方法能夠在保證計算精度的前提下大大提高介質(zhì)隨機粗糙海面電磁散射的

6、計算效率。
　　5）基于經(jīng)典的四路徑模型，提出了 FBKA-MLFMA低頻混合算法和FBKA-SCGRECO高頻混合算法，兩種方法分別實現(xiàn)了對電大二維介質(zhì)粗糙海面上三維導體目標諧振區(qū)和高頻區(qū)復(fù)合電磁散射的快速、準確計算。對于電大粗糙海面的電磁散射，均利用 FBKA進行快速計算。對于（超）電大目標電磁散射的計算，前一種模型借助 MLFMA將電大目標諧振區(qū)散射場的計算復(fù)雜度從 O(N2)降低到O(Nlog(N))；后一種模型通過引入S

7、CGRECO，以較低的計算消耗大大降低了利用GRECO計算（超）電大目標高頻區(qū)雙站電磁散射的計算誤差。利用四路徑模型計算了目標與海面之間的耦合場，避免了復(fù)雜耗時的迭代求解過程。數(shù)值結(jié)果對比反映出兩種混合算法在計算精度和計算效率方面的優(yōu)勢。
　　6）分別提出了修正半空間多層快速多極子方法（CHMLFMA）和面元化基爾霍夫近似-修正半空間多層快速多極子方法混合算法（FBKA-CHMLFMA），用于準確、快速計算介質(zhì)粗糙海面上目標的散射

8、差場和復(fù)合場。根據(jù)粗糙海面的電磁散射特性，將平面半空間格林函數(shù)空域表達式中的譜域反射系數(shù)改進為新型復(fù)反射系數(shù)，得到粗糙海面半空間問題的修正半空間格林函數(shù)。利用該修正半空間格林函數(shù)，基于混合勢電場積分方程（MPIE），推導出了修正半空間格林函數(shù)的廣義形式，使修正半空間格林函數(shù)適用于粗糙面半空間的矩量法分析?；谠撔拚肟臻g格林函數(shù)，利用高階近似方法將多層快速多極子推廣至粗糙面半空間，提出了修正半空間多層快速多極子（CHMLFMA），用于準