基于高频算法的覆盖等离子体目标电磁散射分析
等离子体涂层椭球目标的电磁散射
１
嘉Ｐ＋㈩一 Ｐ ’ 嘉 ㈦ 委㈦ 。 ’Ｐ 委 Ｐ 一 Ｐ ∞ 丢
将 Ｅ Ｈ蹄带人式（０ 中， ｛， １ ） 后者乘以 Ｎ （ Ｓ ｃ，） ） （ 并对 从一１ 。 到＋１ 积分有
∞
｛ 一）＋簧 ［ 。 ｃ ）ｚ＋ （ Ｉ（ ） 一 。 ］娌 詈 一 （￡ ） ， ｛ 一）＋簧 ［ 。 。，］ （ １Ｉ（ ）１ 一 （与 ｝） 詈 一 皇 ｃ ）Ｙ 一 ８
研究涂 层椭 球 目标 的散 射 问 题 主 要 选 取 椭 球 坐 标 系 （ ， ， ， 与 直 角 坐 标 系 （ Ｙ ｚ ’ ） 它 ７ ｚ， ， ）之 间 的关 系
满足：
ｆ ｚ一 （／ ） 干 １ ／ １ ｄ ２（ ） 一矿） 。 Ｏ （ ＣＳ
ｚ一 （ ２ Ｏ 。 ｄ／ ） ？
椭 球上 ， 间被分 为 ３ 空 部分 ： 外部 自由空 间 ， 离子涂 层 和 内核 ． 等 其
坐标 系的 中心 位于椭 球 中心 ， 图 １所 示 ， 射 角 ａ是入 射 波 与 ｚ 如 入 轴 的夹角 ， 于 戏 平 面 内． 为散 射方 位 角 ， 为散射 角 ， 位 ０为散 射 ， ． ．’ ．。 ． ・ ・
９５ ０
一
ｉ
１ ａ Ｑ
，
Ｈ 一 一 ｉ
瓦 ８ ， １ Ｐ
（ｂ ８）
其 中 ｈ ， ｈ ｅｈ ， 为椭球 坐标 系下 的拉 梅系数 口 Ｋｏ ｒｖ指 出 由椭球 函数表 达 的电磁场 矢 量方位 分量 的表 达 ． ｍａｏ
式中指数 一１ 相应的入射场、 ． 外部散射场 、 涂层散射场 、 内核散射场的 ， Ｈ镏具体表达式参见文献［］ ９， 其中的未知展开系数 ｎ ， ｃ 。 ６ ， ｛ ， 可由边界条件（） ３得出， 并且对于 Ｔ 入射波可以得到系数 ］ Ｍ ¨
临近空间激波等离子体包覆目标电磁特性分析
Ｖｏ１２ ｏ ２ ．５ Ｎ ． Ａｏ ．２ ｒ ０１１
临近 空 间激 波 等 离 子体 包覆 目标 电磁 特 性 分析
刘 华 ，谭 贤四 ，王 红 ，李 志 淮
（． 军 雷 达 学 院研 究 生管 理 大 队 ，武 汉 １空 ４ ０ １ ； ２ 空军 雷 达 学 院 二 系 ， 汉 ３ ０ ９ ． 武
临 近 空 间 （ ａ ｐ ｃ ） 指 距 地 面 ２ ＮｅｒＳ ａ ｅ是 ０～１ ０ｋ ０ ｍ
反 射及 吸 收作 用 ．由于 高超 声 速飞 行 器产 生 的激
波 等 离 子 体 厚 度 相 对 目标 半 径 很 小 ， 时 电 磁 波 此
（ ６ ０ 约 ５０ ０～３ ５０ ０ｆ 的 空 域 … 其 下 面 的 空 域 是 ２ ０ ） ｔ ． 传 统 航 空 器 的 主 要 活 动 空 间 ； 匕面 的 空 域 是 航 其
ห้องสมุดไป่ตู้
电磁 波 产生 反 射 和吸 收作 用 ［３ 而 影 响的程 度 与 ２］ －，
电磁波频率 、 等离子体频率 以及 电子碰撞频率有关 ． 等离 子体 与其他 介 质 一样 具有 介 电常 数 ．在 电磁 波 电场 的作用 下 ， 过 电子 的运 动 、 通 位移 和速 度方 程 式 ， 获得 等 离 子体 相对 介 电常数 ｓ 为
探 测 该 类 型 目标 提 出 了几 点 建 议 ．
关 键 词 ： 近 空 间 ； 离子 体 ； 临 等 电磁 特 性 中 图 分 类 号 ： Ｎ９ Ｔ ５ 文 献 标 志码 ： Ａ Ｄ Ｉ１． ６ ／．ｓ． ７ ６ １ ０ 】 ２ ０ Ｏ ： ０ ９ ９ ． ｎ１ ３８ ９． ｌ． ． ２ ３ ｉ ６ ｓ ２ ００
场 的存 在 ， 电磁 波 产 生反 射 、 射及 散 射 ， 使 折 同时
高性能计算在目标电磁散射特性分析中的应用
高性能计算在目标电磁散射特性分析中的应用刘阳;周海京;郑宇腾;陈晓洁;王卫杰;鲍献丰;李瀚宇【摘要】基于高性能计算的电磁数值模拟在目标电磁散射特性分析中发挥着越来越重要的作用.由于任一种数值方法都有一定的适用范围,不能高效处理所有问题,因此,有必要发展和集成多种数值方法,形成能够为不同类型问题的雷达散射截面(radar cross section,RCS)计算提供高效解决途径的软件系统.文中在并行自适应结构/非结构网格应用支撑软件框架之上,充分考虑数值方法的可扩展性以及物理个性的可分离性,通过基于机理、数据的混合可计算建模和接口设计,以及算法的模块化开发,发展了多种用于RCS计算的数值方法,并将其集成到高性能电磁数值模拟软件系统JEMS中.数值算例表明了JEMS具有高效分析多种目标电磁散射特性的能力,并在大规模并行计算方面具有显著优势.%The electromagnetic numerical simulation based on high performance computing gains more and more attention in analyzing the electromagnetic scattering characteristics of targets to meet the engineering increasing requirements. Since each method has its own advantages and disadvantages, and there is no one method which can deal with all problems, it is necessary to develop multi approach for integrating the software system, which can provide efficient means to analyze the electromagnetic scattering characteristics of different targets. Considering scalability of algorithms and separability of physical characteristics, based on parallel adaptive structured/unstructured mesh applications infrastructure, several numerical methods are developed and integrated into the electromagnetic numerical simulation software system, JEMS, with studying computable modeling, interface design andmodularized realization of algorithms. Some numerical examples illustrate JEMS has the capability in efficient solving the radar cross sections of different targets, and has advantages in large-scale parallel computing.【期刊名称】《电波科学学报》【年(卷),期】2019(034)001【总页数】9页(P3-11)【关键词】电磁散射;雷达散射截面;高性能计算;数值方法;并行支撑框架【作者】刘阳;周海京;郑宇腾;陈晓洁;王卫杰;鲍献丰;李瀚宇【作者单位】北京应用物理与计算数学研究所, 北京 100094;北京应用物理与计算数学研究所, 北京 100094;北京应用物理与计算数学研究所, 北京 100094;中物院高性能数值模拟软件中心, 北京 100088;中物院高性能数值模拟软件中心, 北京100088;中物院高性能数值模拟软件中心, 北京 100088;北京应用物理与计算数学研究所, 北京 100094【正文语种】中文【中图分类】O441引言目标电磁散射特性在雷达技术、目标识别、隐身与反隐身技术等应用中都有重要意义[1-4]. 电子技术的不断发展使它在军事和民用领域的应用日益拓展,以致目标电磁散射特性的数据获取与分析评估一直备受瞩目,建立在计算电磁学基础上的数值模拟技术为其提供了强有力的研究手段. 同时,各应用领域不断提高的实际工程需求,也为目标电磁散射特性的数值模拟提出了许多具有挑战性的问题,如超电大尺寸、复杂结构(包括深腔、缝隙、尖劈等)、复杂材质(非线性、各向异性、色散、时变媒质等)、宽频谱等[5-7]. 这些问题的求解不仅需要从数值算法设计的角度提高计算效率和精度,还需要从计算资源和并行技术的角度来增强对大规模计算的支撑. 近年来,计算机集群技术和并行计算技术的进步,促进电磁场问题的并行计算技术蓬勃发展,使基于高性能计算的电磁场数值模拟在实际工程应用中发挥着越来越重要的作用[8-10]. 许多商业软件,如CST、FEKO、HFSS等均提供并行版本,国内外很多科研团队也都针对不同的数值方法发展了各自的并行程序,有的甚至已形成了较为成熟的软件,如美国伊利诺伊大学的W. C. Chew教授的团队[8]、美国俄亥俄大学的J. F. Lee教授的团队[9],国内电子科技大学聂在平教授的团队[10]、北京理工大学盛新庆教授团队[11]、西安电子科技大学张玉教授的团队[12]等.由北京应用物理与计算数学研究所研制的并行自适应结构/非结构网格应用支撑软件框架(JASMIN/JAUMIN/JCOGIN)是针对科学计算中的结构/非结构网格应用,将高性能的数据结构进行了封装、并屏蔽了大规模并行和网格自适应的计算技术,能够支撑物理建模、数值方法、高性能算法的创新研究,可有效缩短基于现代高性能计算机的并行计算应用程序的研制时间[13]. 在该框架基础上,我们发展了高性能计算软件系统JEMS(J electro magnetic solver),用于多种电磁场问题的高效数值模拟. 本文将主要介绍JEMS中可用于目标电磁散射特性计算方面的内容,从各种数值算法及适用问题展开阐述,并通过介绍JEMS中针对不同类型问题的雷达散射截面计算的数值方法的研究进展和一系列数值算例,展示了JEMS具有高效分析多种目标电磁散射特性的能力,及其在大规模并行计算方面具有的优势.1 电磁散射的数值计算方法雷达散射截面[5](radar cross-section, RCS)是度量目标对电磁波散射能力的一个重要量化指标. RCS的定义为单位立体角内目标朝接收方向散射的功率与从给定方向入射于该目标的平面波功率密度之比的4π倍. 快速和精确获取目标的RCS成为衡量用于目标电磁散射特性研究数值方法有效性的关键.用于RCS计算的方法大致分为三类. 一类是解析方法,如Mie级数方法. 这类方法效率高且可得到问题的准确解,便于分析问题的物理本质,但适用范围太窄,不能满足复杂目标的分析需求.另一类是高频近似方法,如物理光学(physical optics, PO)、几何光学(geometrical optics, GO)、几何绕射理论(geometrical theory of diffraction, GTD)和物理绕射理论(physical theory of diffraction, PTD)等[14-16]. 高频近似方法计算速度快且对存储需求不高,特别在对电大尺寸目标的RCS计算中具有明显优势,能满足一定的工程需要. 然而对目标隐身与识别等应用,特别是含复杂结构或复杂材质的工程问题来说,该类方法的精度不够或无法求解.第三类是全波方法. 这类方法是目前计算电磁学的主流研究方向,如矩量法(method of moments, MoM)及其加速算法、有限元方法(finite element method, FEM)、时域有限差分法(finite difference time domain, FDTD)等[17-18],多用于处理电小或电中尺寸问题. 这类方法能够处理复杂目标,且给出较精确的数值解. MoM是基于积分方程的数值方法,积分方程中格林函数的使用,使无穷远处的辐射条件能够自然满足,场在数值网格中的传播过程得到精确描述,因此该方法的数值色散误差很小. 此外,MoM未知量数目较少且阻抗矩阵条件数较好. 然而,生成的阻抗矩阵是稠密的,造成矩阵元素的计算和存储以及矩阵方程的求解成为影响MoM求解能力的关键因素. 因此,其快速算法成为MoM重要的研究方向,如基于快速傅里叶变换的方法(CG-FFT、IE-FFT、AIM等)[19-20]、基于低秩矩阵压缩的纯代数方法(ACA、MLMDA等)[21-22]和基于快速多极子的方法(MLFMA)[23],有效解决了MoM的上述问题,使其在RCS计算中得到广泛使用. FEM[24]和FDTD[25]均是基于微分方程的方法. 这类方法通常算法简单,易于编程实现和程序并行化. 而且,FEM通用性强,可以处理复杂材质和结构,生成的矩阵具有稀疏性,但矩阵条件数较差. FDTD 方法是计算电磁学中被广泛使用的时域方法,具有宽频带瞬变电磁场分析计算的能力,适用于对宽带RCS的计算需求. 然而,这类方法在求解开的或无限大区域的问题时,需要辅以截断边界. 由于这类方法的未知量分布在整个传播空间,且为了保证所需的计算精度,在处理大尺寸和复杂结构时,往往需要较大的截断区域和精细的网格,从而造成巨大的未知量数目,导致其对计算机资源需求很大. 偏微分方程的局域性还造成这类方法中电磁场在数值网格的传播过程中形成较大的色散误差,导致其计算精度较差. 由于每种数值方法各具优点和劣势,因此将多种数值方法有效结合,取长补短发挥各自的优势,更好地高效求解RCS成为目前的研究热点之一．如全波方法之间的一种混合,即有限元边界积分(finite element boundary integral, FEBI)方法,它是有限元方法和积分方程方法的结合,能够有效消除FEM的截断误差,实现计算区域的最小化,同时具有处理复杂结构和材质的能力,其很强的实用性使其得到了深入发展. 此外,FEM和MoM的许多研究成果都能够应用到FEBI中[26]. 虽然在近几十年全波方法得到了系统的发展,各种快速算法、并行技术、矩阵求解加速技术等不断拓展了全波方法的求解能力,但是仍然有许多实际工程问题是全波方法无法有效或独立解决的. 因此,全波方法与高频方法的混合技术不可避免也成为一个备受关注的发展方向[5,27],包括MoM与PO、MoM与PTD、FEM与PO等,这类混合虽然由于高频近似方法的使用在一定程度上损失了计算精度,但是,它们不仅能够刻画电大目标上电小复杂结构,而且实现了较高的计算效率和较低的内存需求,在解决一些实际工程问题中成为能够折中考虑精度和效率的有效方法.综上所述,各种数值方法都有一定的适用范围,可以高效地求解一些问题. 然而,至今还未有哪种方法可以高效地处理所有问题,因此,有必要发展和集成用于RCS计算的多种数值方法,形成能够为不同类型问题的RCS计算提供高效解决途径的软件系统.2 电磁数值模拟软件系统JEMS目前,国防和高端商用领域迫切需要解决的复杂电磁工程问题,常常具有超电大尺寸、多尺度、多介质或复杂介质、多物理等特性. 基于高效能计算环境和并行支撑软件框架,我们将多种数值方法有机集成,发展了JEMS软件系统,用于电磁场问题的高效数值模拟. JEMS软件系统的设计,充分考虑了保持计算方法的持续可扩展性,并基于机理、数据的混合可计算建模及接口设计,保持物理个性的可分离性及可扩展性. 此外,由于并行支撑软件框架支持基于分布式内存和共享式内存的高性能计算,因此在该框架上发展的JEMS软件系统也支持上述两种高性能计算模式.JEMS软件系统的数值模拟能力并不仅限于目标散射特性分析,因而,本文在简单地整体回顾JEMS软件系统之后,将着重介绍JEMS中针对不同类型问题的RCS计算的解决方案和一系列数值算例,展示JEMS在大规模并行计算方面的优势.2.1 JEMS软件系统简介JEMS软件系统是基于并行自适应结构/非结构网格应用支撑软件框架(JASMIN/JAUMIN/JCOGIN)以算法模块联合研究的形式,与国内优势高校合作,充分发挥国内优势高校的研究力量,将国内外许多最新成果持续融入到软件平台的设计和研制中.综合考虑电磁场问题物理问题的特性、所关注的具体物理量,以及不同物理层次所需的模拟软件算法的共性基础构架的不同,发展的JEMS软件系统的软件体系如图1所示. 该软件系统的总体目标是通过突破在并行支撑框架上高效并行实现电磁脉冲源模拟、区域级/场景电磁模拟、电大多尺度结构全波电磁模拟以及多物理电磁计算等关键技术,在高性能计算环境中构建能力型电磁数值模拟软件系统,为具有明确应用牵引的高价值目标提供基于高性能计算的复杂电磁系统分析、优化及评估解决方案,为国内重大电磁工程问题快速定制高端专用计算平台[28].图1 电磁数值模拟软件系统JEMS体系图Fig.1 System diagram of electromagnetic numerical simulation software system JEMS用于目标电磁散射特性分析的多种数值方法属于平台级全波电磁模拟软件. 该软件包括时域和频域两部分内容,时域部分发展了基于HPA-adaptive模式的时域多算法求解技术,频域部分则采用基于非重叠区域分解的多种频域全波方法的混合集成技术,此外还发展了并行网格剖分技术、基于耦合波方法的电大馈线系统的快速计算技术以及电磁场/电路协同计算技术. 为典型的平台级目标(如飞行器等)构建了精确建模和电磁模拟能力,可实现目标近场和远场的多种电磁特性仿真数据. 此外,JEMS还包括电磁脉冲源模拟软件、区域级电磁模拟软件,以及器件级多物理电磁模拟软件.由于不同数值方法所需要的输入数据形式迥异,如网格数据、模型参数等,JEMS目前对基于不同数值方法发展的求解器的输入数据未做统一. 然而,JEMS中多种数值方法所需的网格数据均可由前处理引擎SuperMesh产生.2.2 用于RCS计算的不同数值方法的研究进展实际应用中需要进行电磁散射特性分析的目标从电尺寸、结构复杂度、材质以及频谱范围等方面都不尽相同,为从精度和效率两方面满足不同应用需求,JEMS软件系统提供多种算法供实际计算选择,包括MLFMA、FEM、PTD、FEBI-MLFMA-PO 以及FDTD等. 下面将逐一对其特点和适用范围进行介绍.2.2.1 多层快速多极子方法JEMS中的平台级频域全波电磁模拟软件JEMS-FD提供了基于组合场积分方程的MLFMA. 特别地,该方法通过高阶奇异值提取技术保证了算法的数值精度和计算稳定性,并提供块对角、稀疏近似逆等预条件技术保证超电大含腔目标的求解稳定性,可满足电大尺寸金属目标对应千万自由度矩阵方程的RCS高效求解. 算例1和算例2分别是使用JEMS中MLFMA对不同频率下F117隐身战机和含腔超电大目标的电磁散射特性分析.算例1 F117隐身战机不同频率下的电磁散射特性分析．模型如图2所示,入射平面波频率为1.5 GHz,入射方向沿机头正入射且采用垂直极化,模型电尺寸为88.8λ×60λ×10.6λ,λ为波长. 表面剖分的三角形网格数目97.6万,未知量数目146.5万,使用16个CPU核并行计算,计算时间为2.27 h,内存需求为7.9 GB,该频率下F117隐身战机的双站RCS如图3所示,与商业软件FEKO的结果吻合很好.当入射平面波频率为5.0 GHz时,模型电尺寸为310.8λ×210λ×37.1λ. 表面剖分的三角形网格数目为996.8万,未知量数目 1 495.2万,使用10个CPU核并行计算,计算时间约5.5 h,内存需求约为84.3 GB,图4给出该频率下F117隐身战机的双站RCS的模拟结果.图2 F117隐身战机模型Fig.2 F117 model图3 频率1.5 GHz时F117的双站RCSFig.3 Bistatic RCS of F117model(frequency=1.5 GHz)图4 频率5 GHz时F117的双站RCSFig.4 Bistatic RCS of F117model(frequency=5 GHz)算例2 含腔超电大目标的电磁散射特性分析. 模型如图5所示,入射平面波频率为0.9 GHz,入射方向沿机头正入射且采用垂直极化,模型电尺寸为66λ×48λ×20λ. 网格剖分的未知量数目约118万,计算时间13 181 s,内存需求为6.7 GB,此含腔超电大目标的双站RCS如图6所示.图5 含腔超电大目标模型Fig.5 Model for the electrical large target with a cavity图6 频率0.9 GHz时含腔超电大目标的双站RCSFig.6 Bistatic RCS of the electrical large target with a cavity(frequency=0.9 GHz)2.2.2 有限元方法在频域全波方法中,还发展了针对复杂多尺度、多材料(包括介质、金属、吸波材料、频变材料、各项异性材料等)结构的FEM,可支持多种激励源(如平面波、高斯波束、点源、波导激励源、电压/电流源等),采用非结构网格并行自适应加密技术和区域分解求解技术,具有数万CPU核的并行扩展能力,可实现对数亿网格规模复杂目标的RCS分析. 算例3和算例4分别是使用JEMS中FEM分析频率选择表面和舰船模型的电磁散射特性.算例3 频率选择表面的电磁散射特性分析. 模型如图7所示含1 000个单元. 入射平面波频率0.3 GHz,入射方向沿-Z轴(即垂直于频率选择表面),极化方向沿+X轴. 模型电尺寸为数十个波长,四面体网格数目为414万,采用8个CPU核并行,区域分解迭代步数为8. 如图8中所示,JEMS中FEM获得的该模型的双站RCS计算结果与商业软件HFSS的一致.图7 频率选择表面的模型Fig.7 Model for frequency selective surface图8 频率0.3 GHz时频率选择表面的双站RCSFig.8 Bistatic RCS of the frequency selective surface(frequency=0.3 GHz)算例4 舰船模型的电磁散射特性分析. 模型如图9所示,尺寸为130.8 m×20m×23.1 m. 入射平面波频率为1 GHz,入射方向的俯仰角为45°,方位角为0°,且为水平极化. 四面体网格规模约为3亿,在天河-2超级计算机上启动400个进程,共计9 600CPU核完成自适应计算. 图10是舰船模型在频率1 GHz时的双站RCS.图9 舰船模型Fig.9 The ship model图10 频率1 GHz时舰船的双站RCSFig.10 Bistatic RCS of theship(frequency=1 GHz)2.2.3 物理绕射理论目标的电尺寸越大,其表面散射场的局部效应越明显,可利用高频方法的局部性原理来求解其散射场. JEMS中提供了PTD方法,通过考虑边缘的绕射电流达到对PO方法的修正,以提高其计算精度. 另外,采用深度缓冲器(z-buffer)算法判断遮挡,区分物体表面的照射和非照射区域,从而实现对超电大尺寸金属和多层涂覆目标的RCS计算. 算例5和算例6是采用JEMS中PTD对金属舰船模型以及涂覆介质材料的舰船模型的电磁散射特性分析.算例5 舰船模型的电磁特性分析. 仍然考虑算例4中的舰船模型. 入射平面波的频率为0.3 GHz,且采用垂直极化,当入射方向的俯仰角为90°,方位角从0°扫描到360°时,JEMS中PTD计算的舰船模型的单站RCS与商业软件CST中的SBR方法的结果如图11所示,二者吻合得较好.图11 频率0.3 GHz时舰船的单站RCSFig.11 Monostatic RCS of theship(frequency=0.3 GHz)算例6 涂覆舰船模型的电磁特性分析. 仍采用算例4中的舰船模型,表面共涂覆三层介质,表1中给出其相对介电常数、相对磁导率,以及厚度等参数. 入射平面波频率为3 GHz,入射方向的俯仰角为90°,方位角从0°扫描到360°. 图12是CST软件的PO方法与JEMS中PTD方法的计算结果对比.表1 涂层介质材料的参数Tab.1 Material parameters for dielectric coats层号相对介电常数相对磁导率涂层厚度/mm 11514.412-j12.3531.02 2151-j5.2421.77 34.254-j2.3311.96图12 频率3 GHz时涂覆舰船的单站RCSFig.12 Monostatic RCS of the coated ship(frequency=3 GHz)2.2.4 全波与高频混合方法最近,针对含金属/介质混合局部结构的电大尺寸问题的RCS分析,JEMS还研发了迭代型全波与高频混合方法FEBI-MLFMA-PO,充分利用FEBI处理复杂结构和材质的能力,以及PO方法处理电大平滑目标的高效性. 通过MLFMA实现对全波算法部分的加速,并采用自适应交叉近似方法提高全波与高频区域相互作用子矩阵的计算效率. 全波与高频区域的耦合子矩阵为稠密阵,采用自适应交叉近似方法可有效降低计算复杂度和内存需求,该算法主要包括求一行或一列的最大值、计算矩阵元素以及每步的误差．在JEMS中,将整个计算区域划分成多个块,求一行或一列中最大值转化为并行求出每一块中最大值,再通过比较块的最大值找出一行或一列的最大值;矩阵元素则是在每一块上并行计算;每步的误差则是先通过每块上计算所属部分的值,而后通过归约计算得到总的每步误差. 在保证一定精度的前提下,有效减少了未知量数目,降低了计算复杂度. 算例7是使用JEMS中FEBI-MLFMA-PO方法分析观察室内含介质体的舰船电磁散射特性.算例7 观察室内含介质体的舰船电磁散射特性分析. 模型如图13,观察室内介质体的相对介电常数为1.5,尺寸3 m×2.5 m×2.0 m．入射平面波频率为50 MHz,入射方向的俯仰角为45°,方位角为0°,且为水平极化. 网格剖分40 109个四面体,以及9 956个三角形(如果全部使用FEBI,则网格剖分含40 109个四面体,以及58 778个三角形),有效减少了未知量数目. 图14给出了利用JEMS中的FEBI-MLFMA-PO,商业软件FEKO中的全波方法MLFMA和混合方法MoM-PO三种方法的计算结果比较．可以看出,在前向和后向附近,与FEKO的MoM-PO混合方法相比,JEMS 中的FEBI-MLFMA-PO的结果与FEKO全波方法MLFMA的结果吻合更好.图13 观察室内含介质体的舰船模型Fig.13 Ship model with a cabin having dielectric object图14 观察室内含介质体的舰船的双站RCSFig.14 Bistatic RCS of the ship witha cabin having dielectric object2.2.5 时域有限差分方法此外,考虑到一些工程问题中对宽带RCS的计算需求,JEMS中的平台级时域全波电磁模拟软件JEMS-TD提供FDTD方法计算宽带RCS的功能. 应用FDTD计算瞬态近场,再由时域近远场外推公式得到特定频率的远场信息,为提高计算效率和精度,特别开发了混合阶和非均匀网格技术. 算例8给出JEMS中FDTD计算的整机模型的RCS.算例8 整机电磁散射特性分析. 整机尺寸为35 m×38 m×12 m,机身为全金属半硬壳式结构,包括四段机身结构、有机玻璃机头罩、起落架及发动机等结构. 入射波频率为1 GHz,沿机头正入射,且采用垂直极化. 利用FDTD计算该飞机模型的水平面和垂直面的双站RCS,六面体网格剖分规模约300亿,使用10 800个CPU核,计算结果如图15～16,并与CST中SBR进行了对比.图15 水平面上飞机的双站RCSFig.15 Bistatic RCS of airplane on horizontal plane图16 垂直面上飞机的双站RCSFig.16 Bistatic RCS of airplane on vertical plane3 结论本文从工程应用中目标电磁散射特性分析遇到的许多难题引出发展基于高性能计算的电磁数值方法的重要性. 首先回顾了用于RCS计算的三类方法,通过分析每种数值方法的利弊,阐明了它们具有不同的适用范围.由于没有一种数值方法能够同时解决所有问题,为从精度和效率两方面满足不同应用需求,需通过发展不同算法供实际计算选择. 本文着重介绍了以这种思路为指导的基于并行支撑框架JASMIN/JAUMIN/JCOGIN的高性能计算软件系统JEMS. JEMS本身的功能很多,这里只介绍其中针对不同类型问题的雷达散射截面计算的数值方法的研究进展,并通过一些相关算例展示出JEMS具有分析多种类型目标电磁散射特性方面的能力以及其在大规模并行计算方面的优势. 实际上,JEMS的研发团队持续通过算法模块形式,将国内外计算电磁学的最新成果融入到软件系统当中,期待通过不断丰富算法功能、优化算法效率为国内重大电磁工程问题提供基于高性能计算的复杂电磁系统分析、优化及评估解决方案.参考文献【相关文献】[1] 黄培康, 殷红成, 许小剑. 雷达目标特性[M]. 北京: 电子工业出版社, 2005.[2] 庄钊文, 袁乃昌, 莫锦军, 等. 军用目标雷达散射截面预估与测量[M]. 北京: 科学出版社, 2007.[3] 保铮, 邢孟道, 王彤. 雷达成像技术[M]. 北京: 电子工业出版社, 2005.[4] 阮颖铮. 雷达散射截面与隐身技术[M]. 北京: 国防工业出版社, 1998.[5] 聂在平, 方大纲. 目标与环境电磁散射特性建模——理论、方法与实现[M]. 北京: 国防工业出版社, 2009.[6] 桑建华. 飞行器隐身技术[M]. 北京:航空工业出版社, 2013.[7] 艾俊强, 周莉, 杨青真. S弯隐身喷管[M]. 北京: 国防工业出版社, 2017.[8] SONG J M, LU C C, CHEW W C, et al. Fast illinois solver code (FISC) [J]. IEEE antennas and propagation magazine, 1998, 40(3): 27-34.[9] PENG Z, LIM K H, LEE J F. Non-conformal domain decomposition method for solving large multi-scale electromagnetic scattering problem[J]. Proceedings of the IEEE, 2013, 101(12): 298-319.[10] 胡俊, 聂在平, 王军, 等. 三维电大尺寸目标电磁散射求解的多层快速多极子方法[J]. 电波科学学报, 2004, 19(5): 509-514.HU J, NIE Z P, WANG J, et al. Multilevel fast multipole algorithm for solving scattering from 3-D electrically large object[J]. Chinese journal of radio science, 2004, 19(5): 509-514. (in Chinese)[11] 潘小敏, 盛新庆. 电特大复杂目标电磁特性的高效精确并行计算[J]. 电波科学学报, 2008, 23(5): 888-891.PAN X M, SHENG X Q. Efficient and accurate parallel computation of electromagnetic scattering by extremely large targets[J]. Chinese journal of radio science, 2008, 23(5): 888-891.(in Chinese)[12] ZHANG Y, ZHAO X W, DONORO D G, et al. Parallelized hybrid method with higher-order MoM and Po for analysis of phased array antennas on electrically large platforms[J]. IEEE transactions on antennas and propagation, 2010, 58(2): 4110-4115.[13] MO Z Y, ZHANG A Q, CAO X L, et al. JASMIN: A software infrastructure for large scale parallel adaptive structured mesh application[J]. Frontiers of computer science in China, 2010, 4(4): 480-488.[14] KLINE M, KAY I. Electromagnetic theory and geometrical optics[M]. New York: Wiley Inter-science, 1965.[15] KELLER J B. A geometrical theory of diffraction[M]. New York: Mc Graw-hill Book Co.,。
等离子体电磁散射的多物理场研究
等离子体电磁散射的多物理场研究逯贵祯;洪楚雨【摘要】This paper uses finite element method to execute multi -physics field ’ s analysis for plasma ’ s electromagnetic scattering problems .The relationship between the distribution of temperature field and e-lectron density is also analyzed .After getting the distribution of electron density ,the spatial distribution of permittivity is available by using Drude method .Then the electromagnetic scattering features of a cylinder is analyzed and computed ,and the computing results of bistatic radar cross section ( RCS) is given.The a-nalysis and comparison of the result is also shown here .%本文采用有限元方法对等离子体的电磁散射问题进行了多物理场分析。
分析了温度场分布与电子密度分布的关系。
在得到电子密度分布后，利用Drude模型得到了介电常数的空间分布。
随后对圆柱的电磁散射特性进行了分析计算，给出了雷达双站散射截面的计算结果，并对结果进行了分析比较。
【期刊名称】《中国传媒大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2014(000)002【总页数】7页(P18-23,7)【关键词】电磁散射;有限元;多物理场【作者】逯贵祯;洪楚雨【作者单位】中国传媒大学信息工程学院，北京 100024;中国传媒大学信息工程学院，北京 100024【正文语种】中文【中图分类】TN9261 引言等离子体是一种物质的存在形式，就像固体、液体和气体一样。
等离子体鞘套中的电波传播特性研究
等离子体鞘套中的电波传播特性研究李江挺;郭立新;金莎莎;方全杰【摘要】采用压力权函数修正的迎风型矢通量分裂格式（AUSMPW＋），求解纳维-斯托克斯（Navier—Stokes）方程组，得出不同飞行速度下等离子鞘套内的电子密度分布。
基于改进的文策尔-克拉莫斯-布里渊（wKB）方法分析了电磁信号经过等离子鞘套的幅频特性，同时还给出了电磁波在鞘套中传输的相频曲线、群时延特性曲线。
计算结果表明：随着飞行器速度增大，鞘套内电子密度增加，电波衰减明显增大，且电磁波在等离子鞘套中传输的相频特性受等离子体频率以及碰撞频率影响，在等离子体频率附近群时延最大。
%The Navier-Stokes equations are solved in this paper by using the AUS- MPW-＋- scheme and the electron density distribution in the plasma sheath is given at different Flight speeds. Based on the modified Wentzel-Kramers-Brillouin method （WKB）method, the amplitude-frequency characteristics of electromagnetic signals are analyzed and the phase-frequency curve and the group delay curve are also presented. Numerical result shows that the {aster the vehicle speed is, the higher the electronic density is, and attenuation coefficient increases. The phase frequency characteristics of radio wave in the plasma sheath are affected by the collision frequency and plasma frequency. The group delay reaches the maximum near the plasma frequency.【期刊名称】《电波科学学报》【年(卷),期】2011(026)003【总页数】7页(P494-500)【关键词】等离子体鞘套;电磁波传播;AUSMPW＋格式;改进的WKB方法【作者】李江挺;郭立新;金莎莎;方全杰【作者单位】西安电子科技大学理学院,陕西西安710071;西安电子科技大学理学院,陕西西安710071;西安电子科技大学理学院,陕西西安710071;西安电子科技大学理学院,陕西西安710071【正文语种】中文【中图分类】O451.引言飞行器在空间高速飞行时,无线电信号会呈现出一定程度的衰减。
开槽钝锥体及等离子体鞘套的RCS特性研究
开槽钝锥体及等离子体鞘套的RCS特性研究梁世昌;于哲峰;张志成;石安华;马平;黄洁【摘要】The finite difference time domain (FDTD) method was used to study the RCS (radar cross section) characteristics of hypersonic vehicle and its plasma sheath. The parallel computational software was developed and used to analyze the far field time-domain backscattering characteristic and the RCS of blunt-cone with slots while incident angle was nearby 0 . The numerical values were compared with test results which were processed in aero-physics ballistic range of CARDC. The results showed that while slots-encircled blunt-cone filled with medium which had well performance in wave transmitting were equivalent to add a scatter center to blunt-cone artificially. The RCS in low-frequency and resonance regi on was not changed obviously when incident angle was nearby 0°, but in high-frequency region it was increased obviously for a wide frequency band.%采用时域有限差分(FDTD)方法研究了等离子体鞘套包覆目标的电磁散射特性,发展了超高速飞行器及其等离子体鞘套RCS特性并行计算软件.采用发展的软件完成了超高速开槽钝锥后向远区时域特性和0°入射角附近的电磁散射截面积(RCS)的计算分析,并在中国空气动力研究与发展中心的气动物理靶上进行了超高速开槽钝锥体的RCS验证试验.研究表明:在钝锥体表面开环槽并填充透波性能良好的介质材料相当于在钝锥体表面人为地增加了一个散射中心；在低频区和谐振区,开槽后钝锥体的RCS在原值周围变化,而在高频区,钝锥体的RCS在0°入射角附近很宽的范围内均显著增大.【期刊名称】《实验流体力学》【年(卷),期】2013(027)002【总页数】5页(P19-23)【关键词】开槽;钝锥;等离子体鞘套;雷达散射截面积;时域有限差分法【作者】梁世昌;于哲峰;张志成;石安华;马平;黄洁【作者单位】中国空气动力研究与发展中心,四川绵阳 621000【正文语种】中文【中图分类】V2180 引言随着再入突防技术的发展，在超高速飞行体表面开切凹槽并填充各种介质材料已经成为调整目标电磁散射特性的重要途径之一［1］。
安徽大学电子信息工程学院研究生导师信息
安徽⼤学电⼦信息⼯程学院研究⽣导师信息姓名：胡根⽣性别：男出⽣年云：1971．5职称：教授学院：电⼦信息⼯程学院研究⽅向：1．图像处理2．智能信息处理个⼈简历2003年6⽉获江苏⼤学硕⼠学位，2006年6⽉获华南理⼯⼤学博⼠学位。
主要从事机器学习、模式识别等⽅⾯的研究和教学⼯作。
近期在国内外学术期刊或学术会议上发表学术论⽂10余篇，其中SCI检索1篇，EI检索5篇。
学术成果1．基于⽀持向量值轮廓波变换的遥感影像融合．电⼦学报．2．具有多分段损失函数的多输出⽀持向量机回归．控制理论与应⽤．3．在线多输出⽀持向量机回归及在投资决策中的应⽤．华南理⼯⼤学学报（⾃然科学版）．4．具分段损失函数的⽀持向量机回归及在投资决策中的应⽤．控制理论与应⽤．在研项⽬安徽省教育厅重点科技项⽬《基于⽀持向量机的遥感影像云层去除新⽅法（批准号KJ2010A021）》姓名：孙⽟发性别：男出⽣年⽉：1966年职称：教授学院：电⼦信息⼯程学院研究⽅向：1. 计算电磁学及应⽤2. ⽆线通信与电磁兼容3. 电磁散射与⽬标识别个⼈简历1988年、1991年毕业于⼭东⼤学⽆线电物理专业，获理学学⼠学位和硕⼠学位，2001年毕业于中国科学技术⼤学电磁场与微波技术专业，获⼯学博⼠学位。
1994年7⽉—1998年8⽉，安徽⼤学讲师；1998年9⽉—2003年8⽉，安徽⼤学副教授；2003年9⽉⾄今，安徽⼤学教授。
2002年在⾹港城市⼤学⽆线通信中⼼做访问学者，2003年9⽉—2006年9⽉在中国科学技术⼤学信息与通信⼯程博⼠后流动站做科学研究⼯作。
学术成果中国电⼦学会⾼级会员，全国⾼等学校电磁场教学与教材研究会理事，电⼦测量与仪器学会微波毫⽶波测试专业委员会委员，《电波科学学报》编辑委员会委员，安徽省⾼等学校‘⼗五’第⼆批中青年学科带头⼈培养对象，安徽⼤学中青年学术⾻⼲。
主持国家⾃然科学基⾦1项，省部级科研项⽬2项，厅局级科研项⽬1项，参加国家⾃然科学基⾦重点项⽬1项，国家⾃然科学基⾦3项，省部级项⽬3项等，发表学术论⽂40余篇，其中被SCI、EI收录16篇，主编安徽省‘⼗⼀五’规划教材1部。
高频电磁场模拟与分析
模拟结果分析与解读
▪ 模拟结果验证
1.对比实验设计：为确保模拟结果的准确性，我们设计了多组 对比实验，包括改变频率、场强等参数，以观察其对模拟结果 的影响。 2.数据一致性：通过对比模拟数据与实验数据，验证了我们模 拟方法的有效性，两者在趋势和数值上均表现出较好的一致性 。 3.误差分析：对模拟结果进行了误差分析，探讨了误差来源， 并提出相应的优化措施，以提高模拟精度。
▪ 模拟结果可视化
1.数据图表：利用多种图表形式对模拟结果进行展示，如折线 图、热力图等，以便更直观地观察数据变化。 2.三维渲染：通过三维渲染技术，将模拟的高频电磁场以立体 形式呈现，提高了结果的可理解性。 3.动态演示：制作了动态演示视频，展示了高频电磁场随时间 的变化过程，使模拟结果更加生动形象。
▪ 时域有限差分法
1.时域有限差分法是一种直接在时域内对Maxwell方程进行差分离散的数值计算方法，适用于 复杂媒质和结构的电磁场模拟。 2.这种方法在计算过程中考虑了电磁场的波动性，可以更好地模拟电磁波的传播过程。 3.时域有限差分法的应用范围广泛，包括天线设计、微波器件模拟等领域。
电磁场数值计算方法
▪ 边界元法
1.边界元法是一种基于边界积分方程的数值计算方法，适用于求解电磁场边界值问 题。 2.这种方法只需在离散的边界上进行计算，因此可以降低问题的维数和计算量。 3.边界元法在电磁散射、辐射等问题中有广泛的应用。
▪ 谱方法
1.谱方法是一种使用高阶多项式进行近似求解偏微分方程的数值计算方法，具有高 精度和高效率的优点。 2.在电磁场数值计算中，谱方法可以用于求解具有规则几何形状的问题。 3.谱方法可以与其他数值计算方法相结合，进一步提高计算效率和精度。
1.工程应用：探讨了模拟结果在高频电磁场工程设计中的应用 ，如天线设计、电磁兼容等。 2.科研价值：分析了模拟结果对高频电磁场领域科研的推动作 用，如新理论验证、数值模型改进等。 3.发展趋势：结合当前前沿技术和应用需求，讨论了高频电磁 场模拟的发展趋势和未来应用前景。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
基于高频算法的覆盖等离子体目标电磁散射分析
基于高频算法的覆盖等离子体目标电磁散射分析
引言：
近年来，随着雷达技术的快速发展和应用领域的不断拓展，对于覆盖等离子体目标电磁散射的研究逐渐受到了广泛关注，这对于提高雷达探测性能具有重要的意义。
而高频算法作为一种计算方法，可以有效地分析和模拟电磁波在目标表面的散射特性。
本文将介绍基于高频算法的覆盖等离子体目标电磁散射分析的方法和应用。
一、高频算法的基本原理
高频算法是一种基于物理光学和电磁散射理论的计算方法，通过对目标表面进行规划和分区，以及对电磁波的衍射、反射和透射等现象的模拟，实现对目标电磁散射特性的计算和分析。
高频算法具有较高的计算精度和速度，广泛应用于雷达散射战斗中，对于覆盖等离子体目标的电磁散射分析也具有一定的优势。
二、覆盖等离子体目标的电磁散射特性
覆盖等离子体目标是一种特殊的目标类型，由高温等离子体组成，具有较强的电磁散射特性。
其散射特性受到等离子体密度、温度和电磁波频率等因素的影响。
覆盖等离子体目标的电磁散射分析需要考虑等离子体和表面的相互作用和相互影响，以及不同频率下的能量吸收和散射规律等。
三、基于高频算法的覆盖等离子体目标电磁散射分析方法基于高频算法的覆盖等离子体目标电磁散射分析方法包括以下几个步骤：
1. 目标表面的几何建模：将覆盖等离子体目标的表面进
行几何建模，确定目标的几何形状和特征。
2. 等离子体参数的确定：根据实际情况和测量数据，确
定目标表面等离子体的密度和温度等参数。
3. 目标电磁波的衍射、反射和透射计算：基于高频算法，分析目标表面对电磁波的衍射、反射和透射现象，计算各种传播路径下的电磁场分布。
4. 散射截面的计算：根据目标的散射特性和电磁场分布，计算目标的散射截面，评估目标的散射强度和散射特性。
5. 散射特性的分析与优化：通过对散射截面的计算和分析，进一步研究目标的散射特性，优化目标的结构和材料，提高目标的散射性能。
四、应用案例分析
基于高频算法的覆盖等离子体目标电磁散射分析取得了一定的研究进展，并在实际应用中得到了广泛应用。
例如，在军事领域中，利用该算法可以对覆盖等离子体目标进行探测和追踪，提高雷达的作战能力和探测效率。
此外，在无人机和无线通信领域，该算法也可以用于分析和改善目标的电磁散射性能，提高通信和导航系统的稳定性和可靠性。
结论：
基于高频算法的覆盖等离子体目标电磁散射分析是一种有效的计算方法，可以对覆盖等离子体目标的电磁散射特性进行准确和快速的分析。
通过该方法可以提高雷达的探测性能，优化无人机和无线通信系统的设计和布局。
未来，还需要进一步深入研究和应用高频算法，提高其计算精度和速度，为电磁散射领域的研究和应用提供更多有效的工具和方法
综上所述，基于高频算法的覆盖等离子体目标电磁散射分析是一种有效的计算方法，可以对目标的散射特性进行准确且快速的分析。
通过该方法可以提高雷达的探测能力，并优化无人机和无线通信系统的设计和布局，从而提高系统的稳定性和可靠性。
然而，还需要进一步深入研究和应用高频算法，以提高其计算精度和速度，并为电磁散射领域的研究和应用提供更多有效的工具和方法。