体面积分方法中快速算法的研究

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随着国防军事现代化进程的快速推进,一些军用目标,如战斗机、导弹等具有低雷达散射截面积(Radar Cross Section,RCS)特性显得至关重要。于是近年来涌现许多降低RCS的方法,其中,对目标进行涂敷吸波材料是降低RCS的有效方法之一。八十年代以来,随着材料技术的快速发展,一些新型材料如手征材料、各向异性材料、双各项异性材料等因具有独特的电磁特性,被广泛的应用于军事和民用中。尤其是这些新型材料被用于涂覆导体目标时,大大的降低了目标的雷达散射截面积,起到了一定的隐身效果。所以,分析金属介质混合结构的电磁特性一直是众多学者研究的热点。   体面积分方程是一种基于矩量法的数值方法,适合分析介质金属混合目标的散射问题。体面积分方程因其能很好的模拟不均匀的介质部分,具有广泛的适用性和较强的灵活性且已经被很多学者所分析研究。对于复杂媒质金属混合的问题,也可以通过体面积分方程来解决。体面积分方程是基于电场积分方程的,可以使用直接求解法或迭代法求解矩阵方程,常用的直接解法有LU因子分解。但是直接求解代价很高,因此,一般采用迭代法求解,对于迭代法,我们主要关心的是收敛速率,通常以获取满足一定精度的解所需要的迭代步数来衡量。体面积分中生产的阻抗条件数决定了收敛的速率。研究发现,体积分算子形成的阻抗有较好的条件数,但面积分算子形成的阻抗条件数较差,当计算复杂的介质金属目标时往往出现迭代收敛较慢,甚至不能收敛的情况,对于这种情况,本文使用分步迭代求解的方法,将介质体部分与金属面部分分成两个区域,进行分别迭代求解,并给出了使用该方法后和体面积分整体求解时的相关参数对比,从而进一步说明该方法的可行性和高效性。   此外,本论文用体面积分方法分析电大尺寸目标的电磁散射特性。由于在体面积分方法中,对结构模型的导体部分是用三角形单元剖分的,介质部分是用四面体单元进行离散的,未知量是三角形对的公共内边和四面体对的公共面,由于介质部分的引入,这样即便是对于电尺寸比较小的结构,未知量也会急剧上升,当电尺寸比较大时,未知量上升到PC计算机无法处理的地步。为了解决这类问题,本文引用了加速方程求解的快速算法:射线追踪快速算法(RPFMA)、快速远场近似方法(FAFFA)结合多层快速多极子方法。这种方法减少了远场组相互作用过程中的转移量,减低了转移时间,进而有效的缩短了方程的求解时间、减少了所耗内存。本文还给出了一些算例验证这种方法的正确性和高效性。   最后,本来还提出一种基于非空组数和平面波数的并行方案结合射线多级子、快速远场近似方法,分析超电大尺寸的金属介质混合目标散射特性。在分析电大尺寸结构时,传统的基于多层快速快极子的并行方案效率不高,文中引入的并行方案采用不同的分组方法来对并行多层快速多极子方法中粗细层处理,极大的提高了多层快速多级子方法的并行效率,同时保证了算法的高可扩展性。
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