丛林地貌高功率微波传输散射特性

 采用时域有限差分方法仿真分析了高功率微波在丛林地貌传输的双站散射特性,得到了不同入射角度下的双站散射规律,对比分析了利用数值和解析两种方法得到的丛林散射系数与掠射角关系。理论分析和数值计算结果表明：散射系数曲线存在布儒斯特角,且地貌电参数越大,布儒斯特角越小;掠射角小于布儒斯特角时,散射系数随掠射角的增大而减小;掠射角大于布儒斯特角时,散射系数随掠射角的增大而增大。水平面情况下的不同丛林类型双站散射系数变化趋势一致;对于介电常数相对较大的丛林地貌类型,通过镜面反射方向时域有限差分方法得到的半功率波瓣宽度较宽;同一丛林地貌类型不同均方根高度条件下,均方根高度增大,相干分量变小,非相干分量变大;不同入射角、相同地貌和电参数情况下,散射系数的峰值向对应的镜面反射方向移动。     

海面冰层对声波的反射和散射特性

北极海面冰层复杂多变,其对声波的反射和散射严重影响冰下水声信道的传输特性,建立海面冰层的声波反射和散射模型对冰下水声通信研究具有重要意义.假设海面冰层为多层固体弹性介质且冰-水界面粗糙,满足微扰边界条件,导出声波从海水介质入射到海面冰层时相干反射系数满足的线性方程组.对相干反射系数随声波频率、掠射角、冰层厚度的变化进行数值分析.进一步引入根据散射声场功率谱密度计算散射系数的方法,改变掠射角,对冰层厚度、散射掠角对散射系数的影响进行研究.     

分形海面的微波电磁散射计算模型

利用2维Weierstrass带限函数建立了模拟粗糙海面形状的模型,讨论了分形维数、频率幅度尺度因子等分形参数对海面形状的影响。以粗糙海面形状模型为基础,针对模拟的分形海面形状,从亥姆霍兹积分出发,利用基尔霍夫近似推导出2维分形海面的电磁散射系数,并进行了数值模拟。对微波电磁散射特性随分形维数、频率幅度尺度因子、入射波入射角变化的规律做了进一步讨论分析。在低掠射角时电波会受海面的遮挡,用遮挡函数对散射系数进行修正。研究表明:随着分形维数的增大,散射峰分布变均匀。频率幅度尺度因子越大,散射也越分散。随着入射角的增大,后向散射也逐渐增强,而前向散射逐渐减弱。     

雪层覆盖地面电磁散射的矩量法

为实现分层介质粗糙面电磁散射的矩量法研究,给出一种分层介质粗糙面电磁积分方程的区域分解方法.将格林定理应用于粗糙面所分的各子空间,结合波动方程和格林函数推导分层粗糙面的电磁积分方程,利用矩量法对其进行离散,数值计算得到雪层覆盖地面散射系数的角分布曲线,其中,粗糙表面由一维带限Weierstrass分形谱和Monte Carlo方法模拟.通过与时域有限差分法数值结果的比对,验证该方法的准确性,并分析散射系数随雪和地面参数、介质参数以及入射波参数的变化,获得了较完整的散射特征.     

小掠射角下高斯谱粗糙海面反射损失建模

在散射能量基本为前向散射且集中在“镜面反射”方向的情况下,粗糙海面反射损失建模是声呐信号传播建模必不可少的一部分,尤其对于中远距离下浅海或者存在表面声道的水声环境,小掠射角(10°以内)下的粗糙海面反射损失建模尤为重要。首先基于高斯谱粗糙海面模型,通过高海况下的声传播试验数据处理分析了粗糙海面边界条件下的Ramsurf声传播模型的有效性,进而以Ramsurf声传播模型为基准,在小掠射角下,比较分析了Kirchhoff近似(KA)海面反射损失模型和小斜率近似(SSA)海面反射损失模型,数值计算结果表明,在小掠射角下SSA海面反射损失模型与Ramsurf计算结果较为吻合,是比较精确的海面反射损失模型。      

抑制地面反射影响的高功率微波辐射场测量方法

在对空气-地面分层媒质中微波传播与反射理论分析的基础上,研究了地面反射对测点处不同垂直高度电场分布的影响,推导得到了电场分布随垂直高度变化曲线的振荡周期理论计算公式,针对高功率微波源总功率测量,提出了一种双天线阵列抑制地面反射影响的高功率微波辐射场测量方法,通过数值计算、低功率连续波实验、大功率短脉冲实验等进一步验证了理论公式的正确性,以及双天线阵列抑制地面反射影响方法的可行性。结果表明,与单接收天线相比,双天线阵列法可将地面反射影响由原有的4dB降低至0.6dB以下,从而有效减小了高功率微波辐射场的测量不确定度,为高功率微波源总功率准确测量奠定了基础。     

三维随机粗糙面与目标复合电磁散射的FDTD方法

用时域有限差分方法(FDTD)研究三维周期性延拓的随机粗糙面与上方目标复合电磁散射.用周期性延拓消除数值计算中截取有限大小粗糙面产生的边缘效应,讨论一个周期单元粗糙面的边长与其相关长度之间的关系.给出在FDTD方法中向粗糙面加载入射波的方法,建立了粗糙面上单个三维目标的复合散射FDTD计算模型.数值结果给出粗糙面与目标散射的近场分布,应用近远场变换得到全方位散射角的双站散射系数.比较了三维与二维散射模型的区别.结果显示当粗糙面上放置目标时,其后向散射显著增强.     

发光等离子体对6GHz高功率微波的防护性能研究

为研究发光等离子体对高功率微波的防护性能,建立了一维条件下等离子体与高功率微波相互作用的物理模型,并采用数值仿真得到了不同条件下的微波透射效果,分析了发光等离子体对高功率微波的防护性能。随后,实验研究了双层柱状等离子体阵列对6 GHz高功率微波脉冲的透射效果,实验结果与仿真结果相符,说明高功率微波的入射使等离子体产生了非线性效应。实验结果还表明,TE极化时的防护效果要优于TM极化时的防护效果;等离子体击穿场强阈值随电场作用空间的增大而减小;TE极化时等离子体对高功率微波脉冲的屏蔽效能最高可达13 d B,且随入射功率的增大而进一步增大。     

雪层覆盖的粗糙地面与上方矩形截面柱复合电磁散射的时域有限差分法研究

采用土壤介电常数的四成分模型和雪的介电常数模型分别表示实际的地面和雪层的介电特性, 应用指数型分布粗糙面模型和Monte Carlo方法模拟实际的粗糙地面, 运用时域有限差分方法研究了雪层覆盖的粗糙地面与上方矩形截面柱的复合电磁散射问题. 得出了复合电磁散射系数的角分布曲线, 计算了双站复合散射系数随土壤与雪层粗糙度参数、介电参数、 矩形截面柱几何参数、介电参数等的变化情况, 并做了详细分析与讨论. 得到了雪层覆盖的粗糙地面与上方矩形截面柱复合电磁散射特性.     

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。     

FDTD Investigation on Electromagnetic Scattering from Two-Layered Rough Surfaces under UPML Absorbing Condition

Electromagnetic scattering from one-dimensional two-layered rough surfaces is investigated by using finite-difference time-domain algorithm （FDTD）. The uniaxial perfectly matched layer （UPML） medium is adopted for truncation of FDTD lattices, in which the finite-difference equations can be used for the total computation domain by properly choosing the uniaxial parameters. The rough surfaces are characterized with Gaussian statistics for the height and the autocorrelation function. The angular distribution of bistatic scattering coefficient from single-layered perfect electric conducting and dielectric rough surface is calculated and it is in good agreement with the numerical result with the conventional method of moments. The influence of the relative permittivity, the incident angle, and the correlative length of two-layered rough surfaces on the bistatic scattering coefficient with different polarizations are presented and discussed in detail.     

卷积完全匹配层截断3维金属矩形波导的应用研究

 讨论了高功率微波源模拟中波导开放边界截断的需求,分析了不同类型完全匹配层(PML)的特点,选用卷积形式PML截断色散波导器件的开放边界。从自由空间电磁波的平面波解和分裂形式的PML出发,构造了未分裂形式的PML,用傅里叶变换的卷积定理,导出了直角坐标系下卷积完全匹配层(CPML)介质中电磁场的迭代形式的离散方程。在不同频率和模式激励源作用下,模拟计算了CPML截断矩形波导开放边界的性能,数值结果表明最大相对误差都小于-70 dB,远好于Mur吸收边界的截断效果。     

电磁脉冲作用下地面铺设屏蔽电缆蒙皮电流分布的时域计算方法研究

为克服传输线理论方法求解电磁脉冲电缆耦合问题存在的不足,对电磁脉冲电缆耦合问题进行了时域求解方法的研究。引入了适用于电磁脉冲电缆耦合问题数值求解的基于细线散射的时域有限差分(FDTD)法,将Gedney's PML进行了扩展,使其可以用于各向同性有耗计算域截断问题的处理。利用建立的数值方法,模拟了电磁脉冲作用下地面铺设屏蔽电缆引起的蒙皮感应电流分布规律及波形特征,并利用辐射波电磁脉冲模拟器对该问题进行了实验研究。计算与实验结果在误差范围内的一致性证明了数值结果的可靠性,以及该时域计算方法在处理电磁脉冲电缆耦合问题的可靠性。     

A heuristic model approximation for scattering from perfectly conducting one-dimensional random rough surfaces

We propose a model for scattering from one-dimensional, perfectly conducting, slightly rough surfaces. A possible method for solving the scattering equations is examined which, with some assumptions, suggests the final result. The approximation is relatively simple and is comparable in computational effort with most first-order theories. We compare the bistatic scattering cross section for TE waves predicted by the present model for Gaussian randomly rough surfaces with numerical simulations and with some first-order theories. The comparison shows that the model is remarkably accurate for slightly rough surfaces and TE polarization.     

介质表面高功率微波击穿中释气现象的数值模拟研究

建立了一个简单的高功率微波(HPM)介质表面击穿释气模型,并采用PIC(partiele-in-cell)-MCC(Monte Carlo collisions)方法,通过自行编写的介质表面击穿数值模拟程序对不同释气条件下的介质表面HPM击穿过程进行了数值模拟研究,得到了击穿过程中电子数量等的时间图像和不同释气速度下的击穿延迟时间.模拟结果表明,对于具有一定时间宽度的HPM脉冲,当介质表面气体脱附速度较小时,由于介质表面气体层形成太慢而不会发生击穿;只有当脱附速度大于一定值时,击穿才会发生且击穿延迟时间在一定范围内随着脱附速度的增加而缩短.最后,将数值模拟得到的介质表面HPM击穿数据,与单极性表面击穿的实验诊断图像进行了对比,两者的发展趋势符合很好. 关键词： 释气现象 介质表面击穿 高功率微波 数值模拟     

A staggered-grid finite-difference method with perfectly matched layers for poroelastic wave equations.

A particle velocity-strain, finite-difference (FD) method with a perfectly matched layer (PML) absorbing boundary condition is developed for the simulation of elastic wave propagation in multidimensional heterogeneous poroelastic media. Instead of the widely used second-order differential equations, a first-order hyperbolic leap-frog system is obtained from Biot's equations. To achieve a high accuracy, the first-order hyperbolic system is discretized on a staggered grid both in time and space. The perfectly matched layer is used at the computational edge to absorb the outgoing waves. The performance of the PML is investigated by calculating the reflection from the boundary. The numerical method is validated by analytical solutions. This FD algorithm is used to study the interaction of elastic waves with a buried land mine. Three cases are simulated for a mine-like object buried in "sand," in purely dry "sand" and in "mud." The results show that the wave responses are significantly different in these cases. The target can be detected by using acoustic measurements after processing.     

Investigation of composite electromagnetic scattering from ship-like target on the randomly rough sea surface using FDTD method

Composite electromagnetic scattering from a two-dimensional (2D) ship-like target on a one-dimensional sea surface is investigated by using the finite-difference time-domain (FDTD) method. A uniaxial perfectly matched layer is adopted for truncation of FDTD lattices. The FDTD updated equations can be used for the total computation domain by choosing the uniaxial parameters properly. To validate the proposed numerical technique, a 2D infinitely long cylinder over the sea surface is taken into account first. The variation of angular distribution of the scattering changing with incident angle is calculated. The results show good agreement with the conventional moment method. Finally, the influence of the incident angle, the polarization, and the size of the ship-like target on the composite scattering coefficient is discussed in detail.     

粗糙海面高功率微波传输特性矩量法分析

应用蒙特卡罗方法实现了粗糙海面的仿真与模拟,建立了基于双积分方程的高功率微波（HPM）近海面传输特性矩量法计算模型。模型采用光滑窗函数对均匀平面波进行调制,把均匀平面波入射调制为锥形波,消除了粗糙海面突然被截断而引起的边缘效应的影响;重新推导了锥形波入射下的基尔霍夫近似公式,并在满足基尔霍夫近似的条件下,通过对比分析,验证了模型的正确性;采用模型计算分析了不同海面几何参数和海水媒质参数对HPM近海面传输系数的影响。结果表明:粗糙海面的均方根高度对HPM传输系数影响明显,均方根高度越大,传输系数越小,能量分布越均匀;另外随着海水介电常数实部和虚部的增加,传输系数均有所增加,并且实部的影响更明显。     

A heuristic model approximation for scattering from perfectly conducting one-dimensional random rough surfaces

Abstract

We propose a model for scattering from one-dimensional, perfectly conducting, slightly rough surfaces. A possible method for solving the scattering equations is examined which, with some assumptions, suggests the final result. The approximation is relatively simple and is comparable in computational effort with most first-order theories. We compare the bistatic scattering cross section for TE waves predicted by the present model for Gaussian randomly rough surfaces with numerical simulations and with some first-order theories. The comparison shows that the model is remarkably accurate for slightly rough surfaces and TE polarization.     

The Structure of a Chirp Signal in the Randomly Inhomogeneous Earth-Ionosphere Channel

We analyze theoretically the structure of a chirp-ionosonde signal for the cases of one- and two-hop propagation in the randomly inhomogeneous ionosphere. For the case of two-hop propagation, wave scattering by the rough ground is taken into account. Our numerical simulation showed that random ionospheric irregularities and ground roughnesses play a significant role in the formation of a signal structure. We compare numerical results with experimental data obtained at oblique ionospheric sounding.