基于等效原理分析水下电磁场的算法研究

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水是一种有耗的色散媒质。在水媒质中,电磁波频率越高衰减越快,只有低频甚至是极低频信号才能在水下环境中较长距离地传播。因此在分析水下电磁波远距离传播问题时主要考虑的是低频或者极低频信号。在处理低频问题时如果根据波长对目标进行离散则离散间隔很大很难对目标进行精确的描述。如果为了精确描述目标,要使离散单元尺寸足够小,则很难处理大空间问题。因此,传统的时域有限差分方法(FDTD)计算存在如何描述小目标(如天线)与计算广阔空间的矛盾。这要求在现有的算法基础上进行拓展,使其能够满足水下电磁场计算的需求。  为解决该问题,本文在传统的FDTD方法的基础上,提出一种基于等效原理的网格变换技术,在近场区采用细网格剖分计算,对全问题空间分析时采用大网格剖分。该技术包含两次独立的FDTD计算。第一次计算采用细网格得到激励源近场分布;第二次计算采用粗网格得到远距离的电磁场值,两次FDTD计算通过变换边界建立联系。该方法可以实现细粗网格的大比例变换,例如变换比例可以大于10,即粗细网格尺寸比例可以大于10,利用该方法可以极大的节省计算时间以及降低内存消耗。  本文的工作可以分成三个部分:  1、研究了 PMC等效的二维 FDTD网格变换技术。分析利用 PMC等效源在二维FDTD计算中实现网格变换的原理,给出均匀和存在细微结构分析算例。  2、研究了二维FDTD方法总场-散射场边界网格变换技术。分析变换边界的处理方法,给出其修正FDTD离散式。给出线电流源辐射及金属方柱散射实例,对实际二维水下环境建模,分析二维水下空间中电磁波传播问题。  3、研究了三维FDTD方法总场-散射场边界网格变换技术。分析变换边界的处理方法,以及该方法的算法实现。
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