乳腺癌检测的三维微波热声成像技术

提出了三维微波热声成像技术检测早期乳腺肿瘤,成像同时具有高对比度和高分辨率的特点.该技术利用自适应的鲁棒Capon波束成形(RCB)算法进行信号处理和图像重建.基于电磁学和声学时域有限差分(FDTD)法,进行微波热声成像仿真,算例结果证实了该技术用于诊断早期乳腺肿瘤的可行性. 关键词： 乳腺癌检测 微波热声成像 鲁棒的Capon波束成形 时域有限差分     

超宽带微波检测早期乳腺肿瘤三维仿真

超宽带微波成像技术可作为有效的方法用于乳房早期乳腺肿瘤的检测. 该方法基于乳房组织和肿瘤之间较大的电学特性差异的特点进行成像, 能提供足够的分辨率以及足够的穿透深度. 本文采用时域有限差分方法建立超宽带微波信号在三维乳房组织中传播的模型, 并采用单极德拜模型完成了生物组织色散特性的模拟. 利用8发9收的天线阵列实现微波肿瘤探测, 利用共焦成像算法对乳房组织进行图像重构并进行肿瘤定位. 仿真结果显示共焦成像算法能够实现最小直径3 mm的肿瘤的检测, 同时证实了超宽带微波成像技术应用于早期乳腺肿瘤检测的有效性. 关键词： 微波成像 肿瘤检测 时域有限差分 共焦成像算法     

共形单步交替方向隐式时域有限差分方法及其改进

提出了一种基于共形网格技术的共形单步交替方向隐式时域有限差分(CLeapfrog ADI-FDTD)方法。与常规FDTD方法相比,此方法能够减小由于目标边界不契合网格划分而引入的阶梯近似误差,提高算法计算不规则目标时的精度;同时算法稳定性更强,计算效率更高。由于引入共形技术后显著降低了原差分法的无条件稳定性,本文利用增长矩阵本征值方法理论分析了算法的稳定性,然后采用了一种改进的共形面积计算方法,在此基础上提出了一种稳定性更高的改进的共形单步交替方向隐式时域有限差分(ICLeapfrog ADI-FDTD)方法。数值算例验证了ICLeapfrog ADI-FDTD是一种具有高稳定性和高精度的高效算法。     

一种新时域交替隐式差分算法在散射问题中的应用

提出一种新时域交替隐式有限差分(ADI-FDTD)算法格式. 传统ADI-FDTD算法的 场量步进方程涉及周围若干网格的较多场量，导致两个区域的步进方程处理较困难：一个是 邻近完全匹配层(PML)和散射场交界区，另一个是邻近连接边界区. 特别是后者，考虑入射 波影响需对场量所在区域判断，根据不同情况对原有方程进行修正，一维和二维散射问题 相对简单，可三维问题修正式有数十种之多而几乎无法完成. 本方法基于分裂场形式的ADI- FDTD技术，使得散射场区和PML吸收层区的表达形式完全一致，从而忽略两者差别.另 关键词： 时域交替隐式有限差分算法 电磁散射     

平面光波导放大器中光场分布的一种计算方法

用交变隐式差分方向的时域有限差分法(ADI-FDTD)计算了掺Er³⁺玻璃平面光波导放大器中光场的分布.其算法简单,结果无条件稳定,能完全模拟波导中的光场特性.     

二维单步交替方向隐式时域有限差分法吸收边界性能分析

给出了两种适用于二维单步交替方向隐式时域有限差分(2-D Leapfrog ADI-FDTD)方法的吸收边界:Mur边界和卷积完全匹配层(CPML)边界。单步交替方向隐式时域有限差分(Leapfrog ADI-FDTD)方法是一种无条件稳定的全隐式差分算法,由于二维空间Leapfrog ADI-FDTD的迭代同时存在显式和隐式方程,故而不同电磁分量的边界条件也存在差异。从原理出发,推导了适用于2-D Leapfrog ADI-FDTD方法的CPML边界条件,并与一阶Mur边界进行比较,利用自由空间的反射误差来表征两种边界的吸收性能,简要总结了两种吸收边界的优缺点。     

双折射光子晶体光纤传输特性分析

采用时域有限差分法对光子晶体光纤导模的传输特性进行数值分析,通过该法可得到任意横向结构光子晶体光纤的色散特性和双折射特性。为提高精度,在计算中应用了各向异性完全匹配层作为吸收边界条件。光子晶体光纤的传输特性完全由其横向结构决定。用时域有限差分法对一类对称结构和两类非对称结构光子晶体光纤进行了数值分析,计算结果表明经合理设计的非对称结构光子晶体光纤中可存在较高的双折射(其双折射可达0．07)。表明时域有限差分法可有效应用于分析和设计具有特定色散和偏振特性的光子晶体光纤。     

旋转体时域有限差分法对轴对称亚波长衍射光学元件的分析

采用旋转体时域有限差分法对轴对称亚波长衍射光学元件进行严格的矢量分析.推导了旋转体时域有限差分法的基本计算公式;给出了入射波的设置方法;采用了完全匹配层吸收边界条件;改进了平面波谱传播算法,大大简化了计算过程并提高了计算速度.对多台阶微透镜和二元亚波长微透镜进行分析给出了它们焦平面的电场强度分布.数值计算结果表明,本文的算法可以准确且高效地分析轴对称亚波长衍射光学元件.     

光子晶体传输特性的时域精细积分法分析

将精细积分法应用于时域有限差分法中,提出了一种求解光子晶体传输特性的时域精细积分法,并对其计算精度及稳定性进行了分析.从一阶麦克斯韦方程出发,在空间上采用Yee元胞进行差分离散,结合吸收边界条件及激励源表达式将方程整理为标准的一阶常微分方程组形式.通过时间步长的精细划分和指数矩阵的加法定理,在时间上利用精细积分法对齐次微分方程进行积分求解,并结合激励向量的特解得到空间离散的场分量,最终通过傅里叶变换求得方程的解.利用时域精细积分法对光子晶体进行了实例计算,并将其结果分别与时域有限差分法和四阶龙格库塔法在精度、稳定性等方面进行了比较,结果表明时域精细积分法具有更高的计算精度,并且克服了时域有限差分法以及四阶龙格库塔法在计算稳定性上对时间步长的限制.提出的方法具有精确、稳定的特点,为光子晶体传输特性的研究提供了一种新的有效的分析方法.     

有限差分-有限元混合方法的隐式格式研究

利用文[1]提出的有限差分-有限元混合方法,给出一种新的有限元隐式格式,它避免了在传统有限元方法中采用隐式格式时需要求解大型带状稀疏矩阵以及存储量大等问题,同时利用差分法中近似因式分解方法和PuliamTH等人为避免块对角矩阵的求解提出的对角化技术,以期提高计算效率。     

三维周期结构弱无条件稳定时域有限差分算法

从麦克斯韦方程出发,导出了适用于周期结构的三维弱无条件稳定时域有限差分（FDTD）算法的迭代式,在理论上证明了其稳定性条件,其稳定性条件比普通FDTD的稳定性条件要宽松,并将周期边界条件应用到迭代式中,得到了可直接编程迭代的方程,给出了对其特有的一类非三对角阵的解决办法。最后通过算例将计算结果与常规FDTD及ADI-FDTD计算结果比较,验证了算法的精确性和有效性。     

垂直极化平行板有界波电磁脉冲模拟器辐射近场的快速估算方法

为快速估算出垂直极化平行板有界波电磁脉冲(EMP)模拟器的时域近场,将散射传递函数法应用于该类型模拟器近场的时域计算中,即对于给定的脉冲源,先寻找有效频谱范围能覆盖该源的高斯脉冲源,并应用时域有限差分(FDTD)方法计算该高斯脉冲源激励时模拟器中测试点场的时域响应,再利用傅里叶变换、系统的传递函数及傅里叶逆变换计算得到给定脉冲源激励时各测试点场的瞬态响应。所得计算结果与直接使用给定脉冲源激励时FDTD方法的计算结果符合较好。所述方法可用于同一模拟器在不同脉冲源激励时辐射近场的快速估算,能大大减少FDTD模拟计算的次数,尤其对于中大型模拟器能有效减少计算时间和内存。     

Numerical simulation of partially coherent broadband optical imaging using the finite-difference time-domain method

Rigorous numerical modeling of optical systems has attracted interest in diverse research areas ranging from biophotonics to photolithography. We report the full-vector electromagnetic numerical simulation of a broadband optical imaging system with partially coherent and unpolarized illumination. The scattering of light from the sample is calculated using the finite-difference time-domain (FDTD) numerical method. Geometrical optics principles are applied to the scattered light to obtain the intensity distribution at the image plane. Multilayered object spaces are also supported by our algorithm. For the first time, numerical FDTD calculations are directly compared to and shown to agree well with broadband experimental microscopy results.     

Simulations of optoacoustic wave propagation in light-absorbing media using a finite-difference time-domain method

Optoacoustic (OA) imaging is an emerging technology that combines the high optical contrast of tissues with the high spatial resolution of ultrasound. Taking full advantage of OA imaging requires a better understanding of OA wave propagation in light-absorbing media. Current simulation methods are mainly based on simplified conditions such as thermal confinement, negligible viscosity, and homogeneous acoustic properties throughout the image object. In this study a new numerical approach is proposed based on a finite-difference time-domain (FDTD) method to solve the general OA equations, comprising the continuity, Navier-Stokes, and heat-conduction equations. The FDTD code was validated using a benchmark problem that has an approximate analytical solution. OA experiments were also conducted and data were in good agreement with those predicted by the FDTD method. Characteristics of simulated OA waveforms and OA images were discussed. The simulator was also employed to study wavefront distortion in OA breast imaging.     

Finite-difference time-domain modeling of curved material interfaces by using boundary condition equations method

To deal with the staircase approximation problem in the standard finite-difference time-domain(FDTD) simulation,the two-dimensional boundary condition equations(BCE) method is proposed in this paper.In the BCE method,the standard FDTD algorithm can be used as usual,and the curved surface is treated by adding the boundary condition equations.Thus,while maintaining the simplicity and computational efficiency of the standard FDTD algorithm,the BCE method can solve the staircase approximation problem.The BCE method is validated by analyzing near field and far field scattering properties of the PEC and dielectric cylinders.The results show that the BCE method can maintain a second-order accuracy by eliminating the staircase approximation errors.Moreover,the results of the BCE method show good accuracy for cylinder scattering cases with different permittivities.     

Numerical Analysis of Electromagnetic Fields in Multiscale Model

Modeling technique for electromagnetic fields excited by antennas is an important topic in computational electromagnetics, which is concerned with the numerical solution of Maxwell's equations. In this paper, a novel hybrid technique that combines method of moments(MoM) with finite-difference time-domain(FDTD) method is presented to handle the problem. This approach employed Huygen's principle to realize the hybridization of the two classical numerical algorithms. For wideband electromagnetic data, the interpolation scheme is used in the MoM based on the dyadic Green's function. On the other hand, with the help of equivalence principle, the scattered electric and magnetic fields on the Huygen's surface calculated by MoM are taken as the sources for FDTD. Therefore, the electromagnetic fields in the environment can be obtained by employing finite-difference time-domain method. Finally, numerical results show the validity of the proposed technique by analyzing two canonical samples.     

二维各向异性磁等离子体的无条件稳定ADE-CNAD-FDTD算法

针对二维各向异性磁等离子体提出一种有效的无条件稳定算法,新算法结合了辅助微分方程(ADE)方法与Crank-Nicolson approximate-decoupling(CNAD)时域有限差分算法仿真各向异性磁等离子体介质。传统的ADE-FDTD方法应用在一维各向异性色散介质具有较高的精度和效率,将提出的新算法ADE-CNAD-FDTD应用到二维各向异性磁等离子体介质中不仅解决了电磁波在具有各向异性和频率色散特性介质中传播的仿真难题,而且去除了CFL稳定性条件。该算法在保留了原有的精度情况下大幅度地提高了计算效率并成为无条件稳定的形式。给出一个算例证明该算法的有效性,通过模拟电磁波在磁等离子体中的传播,仿真结果与传统的ADE-FDTD算法对比,证实了该算法的高效率、无条件稳定性和高精度。     

3维全电磁粒子模拟大规模并行程序NEPTUNE

 介绍了自主编制的3维全电磁粒子模拟大规模并行程序NEPTUNE的基本情况。该程序具备对多种典型高功率微波源器件的3维模拟能力,可以在数百乃至上千个CPU上稳定运行。该程序使用时域有限差分(FDTD)方法更新计算电磁场,采用Buneman-Boris算法更新粒子运动状态,运用质点网格法（PIC）处理粒子与电磁场的耦合关系,最后利用Boris方法求解泊松方程对电场散度进行修正,以确保计算精度。该程序初步具备复杂几何结构建模能力,可以对典型高功率微波器件中常见的一些复杂结构,如任意边界形状的轴对称几何体、正交投影面几何体,慢波结构、耦合孔洞、金属线和曲面薄膜等进行几何建模。该程序将理想导体边界、外加波边界、粒子发射与吸收边界及完全匹配层边界等物理边界应用于几何边界上,实现了数值计算的封闭求解。最后以算例的形式,介绍了使用NEPTUNE程序对磁绝缘线振荡器、相对论返波管、虚阴极振荡器及相对论速调管等典型高功率微波源器件进行的模拟计算情况,验证了模拟计算结果的可靠性,同时给出了并行效率的分布情况。