现代信息化战争中，各类电子设备在武器装备中被大量采用。如军机、装甲车辆和舰艇等，都配备了大量的雷达、通信和导航等设备，使得这些装备的电磁敏感性大大提高，抗干扰性能下降。这些武器装备的大量投放战场，使得战场上的电磁信号源数量和种类迅速增长，致使战场环境的复杂度显著提高。这种复杂电磁环境将导致武器装备上产生复杂的电磁环境效应，直接影响武器装备的效能发挥和战场生存能力。因此，准确获得武器装备在复杂电磁环境下的电磁响应特征是非常必要的。然而，这样的多尺度复杂电磁环境问题的电磁仿真分析，对于传统计算电磁学方法而言是非常有挑战性的。因此，迫切需要针对多尺度装备的复杂电磁环境效应仿真分析，研究精确高效的三维全波电磁仿真分析方法和CAD软件。　　本文围绕多尺度复杂电磁环境问题的高效全波三维仿真分析，对高阶内罚时域间断伽辽金法（IP-DGTD）及其CAD技术进行了系统地研究，工作的主要内容和创新体现在以下五个方面。　　1、对IP-DGTD方法展开了全面系统地研究工作，并基于该方法开发了全波三维电磁仿真软件。该软件由网格剖分、仿真分析和后处理三大模块构成，采用C++编程实现。网格剖分模块采用四面体网格，支持网格局部加密。在空间离散方面，仿真分析模块采用高阶叠层矢量基函数，支持中心通量和迎风通量格式；在时间离散方面，该模块集成了二阶蛙跳格式、前向欧拉格式及（低存储）龙格库塔格式等显式时间格式。后处理模块集成了表面电流分布、RCS、S参数和谐振频率等计算函数，并能输出指定点、线、面或区域的三维可视化文件。　　2、提出了可用于FEM/FETD、DGM/DGTD中产生的大型稀疏线性方程组迭代求解的基于逆的多波前块ILU分解预处理方法。该方法的创新体现在以下四个方面：（1）首次提出基于多波前法的ILU预处理方法，并针对该方法提出了混合的ILU分解稳定性策略。（2）提出了update-matrix-free多波前法，避免了临时存储更新阵带来的内存花销。（3）提出了超块自适应不完全分解框架，使得多波前块ILU分解预处理的计算和内存性能大大提升。（4）首次将基于逆范数估计的抛弃策略引入到多波前块ILU预处理中，使得该预处理方法的稳定性和有效性进一步提升。上述四个创新点分别从提高稳定性、减小存储需求、提高计算性能和提高预处理矩阵性质等方面来提升本方法的性能。　　3、提出了可用于多尺度复杂电磁问题高效全波三维电磁仿真分析的一种基于指数时间积分法的高阶IP-DGTD方法。该方法主要包含以下4个方面的创新：（1）首次将Lawson方法引入到IP-DGTD方法中，通过引入精细网格区域相关矩阵指数，去除了全局时间格式对精细网格区域稳定性条件的依赖，使得全局时间步长大大增加，仿真时间显著缩短。（2）提出了矩阵时间去耦技术，通过将待求矩阵指数系数与时间解耦合，大大减少了矩阵指数计算次数。（3）提出了矩阵指数降阶技术，通过分块矩阵指数的性质，将全局大型矩阵指数计算问题转化为精细网格相关的小型矩阵指数计算问题，使得矩阵指数计算开销大大减少。（4）研究了矩阵指数的高效计算方法，进一步提高矩阵指数计算效率。利用该方法可实现多尺度复杂电磁环境问题的高效高精度三维电磁仿真分析。其中第一个创新点为指数时间积分法的核心思想，后面三个创新分别从减少矩阵指数计算次数、减小矩阵指数阶数和提高矩阵计算效率三个方面进行研究，以提升本方法的仿真分析效率。　　4、提出了可用于色散媒质仿真的基于指数时间积分法的高阶IP-DGTD方法。（1）首次对混合的Maxwell-Drude方程采用IPDG离散。（2）提出了针对色散媒质的混合的Maxwell-Drude方程的指数时间积分法，有效提升了包含色散媒质的多尺度复杂电磁问题的三维电磁仿真分析效率。（3）将指数时间积分法推广到采用迎风通量格式的IP-DGTD方法中，进一步提高了该方法的计算精度和有效性。其中第一个创新点为本方法的基础理论，第二个创新点旨在提升本方法对多尺度问题的仿真分析能力，而第三个创新点的提出是为了提升本方法的计算精度。　　5、针对基于指数时间积分法的高阶IP-DGTD方法研究了P型网格自适应技术和OpenMP多核并行技术，分别从空间基函数离散和并行化两方面来提升该方法的性能。（1） P型网格自适应技术利用高阶叠层矢量基函数的叠层性质，根据精度需求和各网格单元的尺寸来为各网格分配合适的基函数阶数，能够有效提升高阶IP-DGTD方法在仿真多尺度复杂电磁环境问题时的效率。（2）基于OpenMP的多核并行技术利用IP-DGTD方法良好的数据局部性，以并行方式执行采用显式时间格式的网格单元的相关计算，从而大幅提升了基于指数时间积分法的IP-DGTD方法对于这类大型问题的仿真分析效率。