水下复杂目标声场散射特性的时域有限差分法分析

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水下目标的散射特性是应用物理研究中一个很受关注的研究热点,在民用和军用领域中都有着广泛的应用。由于目标形状的错综复杂性,解析方法很难处理,所以准确地计算出目标散射场分布是一个很具有挑战性的课题。近年来的一个重要趋势是采用数值方法特别是采用时域有限差分法(FDTD)。 运用常规FDTD法计算的精确度在很大程度取决于所用网格的粗细程度。但是更一般的情况中,目标表面边界往往是连续变化的,因为场的递推方程是以离散化空间形式描述的,就只能用阶梯形来拟合弯曲边界,这在粗大网格情况下所造成的数值误差大得令人无法忍受,然而细小网格又对计算资源要求十分严格,特别在三维情况,计算量十分惊人。从实用性考虑,应尽量使用粗大的网格,只要得到的结果其精度在要求范围之内。本文提出的方法,根本目的就是比较精确计算目标的散射场,尽量减少因阶梯拟合对目标弯曲表面造成的误差。 本文首先通过阐述基本概念、算法、数值稳定性、吸收边界条件和近场到远场变换这些重要的FDTD算法组成部分来介绍声学中时域有限差分法的理论基础。然后在二维空间中重点分析了保角映射在求解声压-释放目标的声散射问题中的应用,引入了映射中“正”问题和“反”问题的概念,在对数和指数映射数学理论基础上,构造了二维理想软性声媒质的声散射场模型。同样又在三维空间中重点讨论了非刚性弯曲边界目标的声散射特性,并利用平面波声阻抗和声压的关系,妥善处理了算法中在弯曲边晃附近的声压点,构造了三维空间的非刚性目标声散射模型。最后,分别对在二维和三维空间中建立的目标声散射模型,采用了Matlab工具进行了算法仿真。通过对仿真数据、理论解析精确解和常规数据解三者进行比较分析,验证了这些仿真模型在声散射特性的精确度上均优于常规传统FDTD法,同时继承了FDTD算法的概念简单易懂和运行简便高效的特点。
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