水中目標聲散射特性研究——FDTD及Fourier衍射定理的應用.pdf

1、水中目標聲散射特性研究是水聲工程中的重要課題，它對于水中目標識別、精確聲制導、反隱身及海洋開發(fā)等領域具有重要意義。對復雜目標的散射特性進行精確而快速的預報一直是聲學研究熱點之一，也是目標回聲特性研究的關鍵和難點。本論文以提高數(shù)值方法的計算效率為主要目標，著重研究了時域有限差分方法(FDTD)的改進，提出了應用Fourier衍射定理計算水中目標散射特性的新方法。 在FDTD算法研究中，針對矩形網(wǎng)格對彎曲邊界的階梯近似引起誤差的問題

2、，提出了具有重疊網(wǎng)格的局部共形FDTD，導出了極坐標中的聲學FDTD表達式，建立了求解具有圓形表面的目標散射場的局部共形FDTD算法，并計算了具有圓形表面的柱體目標的散射場。實驗證明了算法的有效性。 為了適應工程應用的需要，對FDTD算法進行并行化處理。首先在同步FDTD算法的基礎上，將散射目標、海面、海底納入FDTD統(tǒng)一框架，建立適用于并行計算的FDID表達式。為了使數(shù)值模擬更加符合實際情況，考慮柱面波入射，并將入射波進行加權(quán)

3、處理，使迭代計算更加穩(wěn)定。在并行算法的實現(xiàn)過程中，根據(jù)FDTD算法的特點，分析了任務分割與數(shù)據(jù)通信量的關系，通過MPI編程，在高性能計算機上實現(xiàn)了FDTD的并行計算。實驗驗證了并行算法的有效性，測試了并行加速比和并行效率與節(jié)點數(shù)和計算域尺寸的關系，并與理論分析進行比較。 在應用Fourier衍射定理計算目標散射強度的研究中，提出了逆向應用衍射CT原理求解聲場正問題的新方法。在該方法中，根據(jù)目標的幾何形狀和聲學參數(shù)分布作二維Fou

4、rier變換，得到聲場波數(shù)域表示，再取出與所求聲學量有關的波數(shù)域樣本作一維Fourier反變換，得到所需的空域結(jié)果。該方法避免了空間的大規(guī)模迭代，使計算量大幅度降低。實驗對該方法進行了驗證，計算結(jié)果與FDTD比較，二者十分接近，而算法所需的計算存儲量大大降低。 在目標回聲特性水池實驗中，對多種目標的反向散射進行了測量，獲得了與散射方向特性有關的實測結(jié)果。應用一致性時域有限差分法(FDTD)和近場-遠場變換計算散射聲目標的回波強度