电大尺寸对象电磁散射的一种混合数值算法
海面上电大尺寸目标电磁散射特性研究
ｏ ｒ ／ Ｗ ｅ ｉ ｊ ｉ ｅ ， Ｌ Ｉ ＵＰ ｉ ｎ ｇ ， ＧＵ Ａ ＮＸｉ ａ ｏ ｄ ｏ ｎ ｇ ， Ｗ Ａ ＮＧ Ｊ ｉ ｏ ｎ ｇ
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ａ ｎ ｅ ｗ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｉ ｓ ｐ ｒ ｏ ｐ ｏ ｓ ｅ ｄ ｔ ｏ ｒ ａ ｐ ｉ ｄ ｃ ｏ ｍｐ ｕ ｔ ｅ ｔ ｈ ｅ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｍａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｉ ｃ ｓ ｃ ａ ｔ ｔ ｅ ｉ ｒ ｎ ｇ ｆ ｒ ｏ ｍ ｔ ｈ ｅ ｌ ａ ｒ ｇ ｅ ｏ ｂ ｊ ｅ ｃ ｔ ｏ ｎ ｏ ｃ ｅ ａ ｎ ｓ ｕ ｒ ｆ ａ － ｃ ｅ ．
・ ３ ６ ２・
现 代 导 航
２ ０ １ ３笠
海面上 电大尺寸 目标 电磁散射特性研 究
姬伟 杰 ，刘平 ，关晓 东，王炯
（ 空军西安飞行学院，西安 ７ １ ０ ３ ０ ６ ）
摘 要： 基 于几何光学法（ Ｇ Ｏ） 、 物理光学法（ Ｐ Ｏ） 、 射线弹跳法（ Ｓ Ｂ Ｒ） 和等效 电流法（ ＭＥ Ｃ） ， 提 出了一种快速计算金属海面上电大尺寸 目 标 电磁散射的解析算法。该算法考虑 了阴影效应，运 用Ｇ Ｏ ／ Ｐ Ｏ ＋ Ｓ Ｂ Ｒ计算 了目 标与海面的镜面反射以及它们之 间的多次相互作用，并运用 ＭＥ Ｃ计算 了目标的棱边绕射 以改进计算结果。 应用该算法计算了平板上方规则金属 目 标的双站雷达散射截 面 （ Ｒ Ｃ Ｓ） ，并 与传统矩 量法 （ Ｍｏ Ｍ ）进行 比较 ，验证 了算法的有效性 。最后 ，计 算 了 Ｐ Ｍ （ Ｐ ｉ ｅ ｒ ｓ ｏ ｎ ． Ｍｏ ｓ ｋ ｏ ｗ ｉ ｔ ｚ ） 海浪谱的随机海洋粗糙面上舰船模型 目标的散射特性，并对计算结果进行 了分析 ，讨论 了海洋面以及入射波参数对散射结果的影响。 关键词：几何光学法； 物理光学法； 射线弹跳法； 等效 电流法；阴影效应； 棱边绕射
电磁散射计算和测试
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基础理论
赫兹
海因里希·鲁道夫·赫兹 (1857年2月22日 - 1894年1月1 日)德国物理学家，于1888年首先证实了无线电波的存 在。并对电磁学有很大的贡献，故频率的国际单位制 单位赫兹以他的名字命名。
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基础理论
尼古拉·特斯拉
为表彰他早在1896～1899年实现200 kV、架空57.6 m 的高压输电成果，与制成著名的特斯拉线圈和在交流 电系统的贡献，在他百年纪念时(1956年)国际电气技 术协会决定用他的名字作为磁感强度的单位。
1912年，由于特斯拉和爱迪生在电力方面的贡献，两 人被同时授予诺贝尔物理学奖，但是两人都拒绝领奖， 理由是无法忍受和对方一起分享这一荣誉。
1752年7月，富兰克林和他的儿子威廉做了“风筝实 验”，证明了天上的雷电与人工摩擦产生的电具有完 全相同的性质。
1753年，俄国著名电学家利赫曼为了验证富兰克林的 实验，不幸被雷电击死。
1754年，避雷针开始应用
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基础理论
库仑
1736年6月14日-1806年8月23日，法国物理学、军事工 程师。
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基础理论
相关历史
西周(公元前1100-公元前771)青铜铭文就记载有“电” 字和“雷”字
先秦“阴阳相薄，感而为雷，激而为霆。霆，电也。”
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基础理论
相关历史
公元前七世纪，发现磁石
IPO+FMM混合方法结合GRI和级联技术计算电大腔体的RCS
IPO+FMM混合方法结合GRI和级联技术计算电大腔体的
RCS
罗威;高正平;张怀武
【期刊名称】《电子与信息学报》
【年(卷),期】2007(029)009
【摘要】采用快速方法(FMM,RPFMM,FaFFA)加速迭代物理光学法(IPO)的迭代过程,可以快速计算电大腔体的电磁散射特性.采用广义互易积分,用靠近腔体终端的一个St面将腔体分成两段,形状简单光滑的腔体前端用IPO结合快速算法处理,而腔体终端单独分析.为了能够处理深腔体和进一步加快计算速度,将腔体前端进一步分成几个子腔体,每一个子腔体独立分析,通过一个级联方法求得腔体前端在St面产生的辐射场,最终在St面用广义互易积分求得腔体的RCS.数值计算结果表明该方法是准确的,同时能有效地提高计算速度.
【总页数】5页(P2269-2273)
【作者】罗威;高正平;张怀武
【作者单位】电子科技大学微电子与固体电子学院,成都,610054;电子科技大学微电子与固体电子学院,成都,610054;电子科技大学微电子与固体电子学院,成
都,610054
【正文语种】中文
【中图分类】TN011
【相关文献】
1.电大尺寸开口腔体的RCS计算和控制 [J], 张鹏飞;龚书喜;徐云学;刘英
2.IPO结合FMM,RPFMM,FaFFA方法快速计算电大腔体的RCS [J], 罗威;高正平
3.分析电大开口腔体电磁散射的快速混合算法-IPO+FMM [J], 岳慧;李伟明;王学田;高本庆
4.电大尺寸开口腔体RCS的SBR并行计算 [J], 张鹏飞
5.一种快收敛的计算三维电大腔体RCS的混合方法——JMRES+RPFMA [J], 罗威;高正平
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纪雨含物理
纪雨含物理摘要：一、引言二、电大尺寸目标物理光学散射场的计算方法1.物理光学理论2.理想导体边界条件和阻抗边界条件3.建立电大尺寸平板的物理光学高效算法公式4.推广到圆柱和球等相似表面三、验证结果与实例1.平板及圆柱的验证结果2.超大电尺寸目标RCS 的计算实例四、结论正文：一、引言在雷达技术、通信系统以及隐身技术等领域中，电磁散射问题的计算与研究具有重要意义。
电大尺寸目标的物理光学散射场计算是其中的一个关键问题。
对于此类问题，传统的数值计算方法如矩方法、有限元方法等存在计算量大、精度不高等问题。
因此，寻求高效的计算方法是当前研究的一个重要方向。
二、电大尺寸目标物理光学散射场的计算方法（1）物理光学理论物理光学方法是一种基于量子力学和统计光学理论的电磁散射计算方法。
它采用量子电动力学中的虚时空概念，将电磁场量子化，并利用统计光学的随机相位法，计算出电磁场的传播和散射特性。
（2）理想导体边界条件和阻抗边界条件在物理光学方法中，通常采用理想导体边界条件和阻抗边界条件来描述目标表面的电磁特性。
理想导体边界条件是指目标表面对电磁波的反射系数为1，即所有的电磁波都被反射回空间。
阻抗边界条件是指目标表面的阻抗与自由空间的阻抗相等，即电磁波在目标表面的传播速度与在自由空间中的传播速度相等。
（3）建立电大尺寸平板的物理光学高效算法公式根据物理光学理论、理想导体边界条件和阻抗边界条件，可以建立电大尺寸平板的物理光学高效算法公式。
该公式采用线性代数的方法，将复杂的电磁散射问题转化为求解一组线性方程组，从而大大降低了计算复杂度。
（4）推广到圆柱和球等相似表面将电大尺寸平板的物理光学高效算法公式推广到圆柱和球等相似表面，可以得到相应的高效算法公式。
这些公式同样具有计算简便、精度高的特点，适用于各种电大尺寸目标的物理光学散射场计算。
三、验证结果与实例（1）平板及圆柱的验证结果通过对平板及圆柱的物理光学散射场的计算，可以验证所提出的高效算法的正确性和精度。
二维电大尺寸目标电磁散射特性的特征基函数法分析
３
２ ２ ２
第一 步 ， 立 主要特 征基 函数 ． 建 由于对 电大 尺寸 目标 直 接进 行 子 域 剖分 ， 会 引 起 子域 连 接 处 电 流 将
矩量 法 （ Ｍ） ＭＯ 经常 被看 作是 数值 “ 精确 解 ” 广 泛应 用 于 电磁 散射 问 题 中． 随 着 目标 电尺 寸 的增 ， 但
大 ， 量法 的 阻抗矩 阵将 迅 速增 大 ， 给计 算 机 内存 和 Ｃ Ｕ带来 沉 重 的负 担． 年来 ， 们 开 展 了通 过 矩 这 Ｐ 近 人 对部 分域 构造宏 基 函数来 降低 未 知变量 数 的研究 ， 如宏基 函数 法 ¨ （ Ｆ 、 ＭＢ ） 子域 多层 法 （ＭＡ） ， Ｓ 等 但
由于 没有直 接在 矩 阵 中考虑部 分域 之 间 的互 耦效 应 ， 使得 矩 阵性态 难 以保 证 ． 征基 函数 法 （ Ｂ Ｍ） 特 ＣＦ 也是 通过部 分域 的概 念来 降低 矩 阵 的维 数 ， 且在 构造 特征基 时直接 包含 了不 同域 间 的互 耦效 应 ， 从而 避
免使用 迭代 来考 虑子 域 间的相 互作 用 ， 求解 电大尺 寸 电磁 散 射 问题 的 一 种新 方 法 ． 是 大小 的选择来控制生成矩 阵的维数 ， 是一 种新颖 的矩 阵降 阶方 法． 应用特征
基 函 数并 结 合 区 域 分 解 法 对 二 维 电大 尺 寸 导 体 柱 和 介 质 柱 的 雷 达 散 射 截 面 进 行 了 计 算 ， 通 过 扩 展 子 且 域 边 界 的 办 法 来 消 除 直 接 划 分 子 域 所 带 来 的 电 流不 连 续 性 问 题 ． 果 与 传 统 矩 量 法 的计 算 结 果 吻 合 良 结 好 ， 计 算 效 率 得 到较 大 的提 高 ． 而 关键 词 ： 电大 目标 ； 量 法 ； 矩 特征 基 函 数法 中 图分 类 号 ：Ｐ ７ Ｔ９２ 文献 标 识 码 ： Ａ 文 章 编 号 ：０ ０—２ ６ （０ ８ ０ — ０ ２—０ １０ １２ ２０ ） １ ０ ３ ４
三维电大尺寸介质目标电磁散射特性的特征基函数法分析
巷；
望
舄
将 会 引起 子域 连 接处 电流的 不连 续 ， 因 此 在计 算特征 基 函数时 ，要先 将子 域进 行 扩展 ，求 解后 再取 原来子 域 的解作 为 此 区域 的特征 基 函数 。 如图 １ 所示 ，将三维 电大 目标划分成
８（ Ｏ 。 ）
３数值计算与比较
转舞２ ７ ４ 页
６函数 为检验 团数 ，则式（ ３ ） 可表示 为如 下 形式 ：
Ｚ
— — — — — —
芝 ， ： ｌ ， ２ ， ， ＂ ） （ ６） ｛Biblioteka ， ２ ， 一 ， ＂）（ ７）
：
１
ｔ
，．
： 一
Ｚ
：
…
Ｚ
Ｚ
（ ４）
Ｚ ㈨ Ｚ Ｈ — Ｚ、 Ｉ
适 的 宏 基 函数 ，宏 基 函 数 的 域 比 传 统 矩 量法 的大 ，因此可 以降 低系数 矩阵 的维 数 ，从而提 高计 算效率 。本文 ｇ １ 入 区域
逆 ，从式（ ５ ） 中可求 出 ，去掉 扩展部分
电 流 的 贡 献 ， 即得 到 子 域 ｉ 的 主 要 特 征 基 函数 。
ＣＢ Ｆ Ｍ （ 电流计算到了 ） 的百分比误 差为 ０ ． ０ ３ ６ ７ ％ ，用 时 １ ８ ８ ｓ ，而 矩 量 法 用 时６ １ ３ ６ ｓ 。 其 中百 分 比 误 差 的定 义 如 下 ：
分 解 的思想 ，即把计 算 区域分 解 为若干
子 域 ，把原 问题 的求 解转 化为 在子域 上 求解 。 用区域分解的思想将 月标 分为Ｍ个
的矩 阵 ，可 通 过 选 取 场 点在 扩 展子 域 ｉ ，源 点在子域 ｊ计算得 到。 （ ２）扩
典型复合目标电磁散射特性分析
典型复合目标电磁散射特性分析典型复合目标电磁散射特性分析引言电磁散射是无线电波与物体相互作用的过程，通过分析目标的电磁散射特性，可以了解到目标的形状、材质和运动状态等信息。
复合目标是指由多个不同材质或结构组成的目标，其电磁散射特性分析具有很高的研究价值。
本文将对典型复合目标的电磁散射特性进行分析。
一、典型复合目标的电磁散射特性分析方法1. 几何光学法几何光学法将目标视为由多个光学简单体组成的复合目标。
通过研究各个简单体的反射、折射和透射的特性，可以得到目标的散射特性。
这种方法在目标尺寸远大于入射波长的情况下更为适用，能够快速计算目标的散射截面和方向图等信息。
2. 物理光学法物理光学法考虑了目标的电磁波长和细节结构对散射过程的影响。
通过考虑电磁波在目标表面的反射、折射和透射等现象，结合光的干涉、衍射和极化等特性，可以得到目标的散射特性。
这种方法适用于目标尺寸与入射波长相当的情况，可以更准确地描述目标的散射特性。
3. 时域积分方程法时域积分方程法是一种基于麦克斯韦方程的数值计算方法，将目标分解为有限数量的小立方体单元，通过求解麦克斯韦方程组，计算得到目标的电磁散射特性。
这种方法适用于任意形状和复杂结构的目标，可以得到较为准确的散射场分布和散射截面等信息。
二、典型复合目标的电磁散射特性分析案例1. 金属和绝缘体复合目标金属和绝缘体复合目标在电磁散射中表现出不同的特性。
金属表面具有很好的导电性，会引起电流的聚集和感应电场的反射，从而产生明显的散射现象。
而绝缘体表面则会产生折射和透射等现象，对入射波的传播路径产生影响。
通过分析金属和绝缘体的相对位置、形状和材质等因素，可以预测复合目标的散射截面和散射方向等特性。
2. 复合材料目标复合材料目标由不同材料的纤维和基体组成，具有较强的吸波和吸能能力。
在电磁散射过程中，复合材料目标的纤维结构和基体结构会影响入射波的传播和反射，从而产生复杂的散射现象。
通过分析复合材料目标的纤维间距、纤维方向和基体材料等因素，可以了解到目标的吸波和散射特性，在雷达隐身和电磁辐射等领域有着广泛的应用。
FEM-IE 混合算法技术培训
140G RAM
44G RAM
❶FEM-IE
199 λ³
❷IE-Region
与FEM对比， IE区域混合法可减少81%的内存消耗
混合算法小结
有限元法FEM和积分方程法 IE混合 – FEM-IE (FEBI边界) • 内部用FEM求解，辐射表面使用IE求解 • FEBI辐射边界可以是任意形状，减少求解空间 – IE-Regions • 当与有限元积分边界混合使用时，将在有限元求解空间外的金属物体使 用IE求解，无需使用辐射边界将金属物体包裹，从而降低求解内存。 • 均匀介质可从有限元求解空间中排除并使用IE求解，当介质区域为电大尺 寸因而需要占用很大FEM求解空间时非常有效。 • HFSS v15 中新增的FEM-IE可与IE区域接触的混合仿真功能， 使得求解电大尺寸复杂结构的问题更加游刃有余。 •
减少仿真空间并简化模型建立
• 设置方法与吸收边界相似
– 只需在辐射边界高级选项中勾选 “Model exterior as HFSS-IE domain”
FEM-IE (FEBI边界) 应用案例
• FEM-IE 混合法可显著减少计算资源需求 – 无需计算天线罩内的空气区域
• 若使用ABC或PML则需求解完整的空气区域
workstation to increase simulation throughput
Mesh Based Domain Decomposition
HPC License Feature FEM and Hybrid
Domain Decomposition
• Ability to partition a single problem into smaller sub
• 有效的提高整体仿真能力 • 调用多线程并行运算