基于等效电流源的分层媒质目标反演研究

针对分层媒质目标反演问题, 提出了一种基于等效电流源的目标重建方法. 该方法首先利用散射数据重建辐射电流源, 然后将等效电流源的求解转化为最优化问题来处理, 通过共轭梯度方法搜索得到全局最优解, 进而实现对目标的反演, 该方法充分挖掘了散射数据所包含的信息, 缩小了解的搜索空间维度, 具有求解效率高的优点. 深入研究了频率、 采样间隔、 采样长度、 噪声水平以及背景估计对反演结果的影响, 并对上述结果做了理论分析. 仿真结果表明, 该方法能够较好地实现分层媒质目标的反演, 可以应用于穿墙成像、地质勘探等领域. 关键词： 电磁散射 分层媒质 等效电流源     

德拜色散媒质的三维时域电磁逆散射技术

生物组织、土壤、水等媒质的电特性是频率相关的(称为色散媒质),常利用单极德拜(Debye)模型描述.为重建这一类媒质的色散特性,基于泛函分析和变分法,提出一种三维(3-D)时域电磁(EM)逆散射技术,主要流程为:①根据最小二乘准则,转化逆散射问题为约束最小化问题;②应用罚函数法,转化约束最小化问题为无约束最小化问题;③通过变分计算,解析导出梯度(Fréchet导数)表达式;④利用梯度法求解.此外,引入一阶吉洪诺夫(Tikhonov)正则化以应对逆问题的病态特性和噪声影响.数值应用中,将提出的目的 应用到一个简单的三维癌变乳房模型,借助PRP共轭梯度(CG)算法和时域有限差分(FDTD)法,仿真结果初步证实本文目的 的可行性、有效性和鲁棒性.     

德拜色散媒质的三维时域电磁逆散射技术（英文）

生物组织、土壤、水等媒质的电特性是频率相关的(称为色散媒质),常利用单极德拜(Debye)模型描述.为重建这一类媒质的色散特性,基于泛函分析和变分法,提出一种三维(3-D)时域电磁(EM)逆散射技术,主要流程为:1根据最小二乘准则,转化逆散射问题为约束最小化问题;2应用罚函数法,转化约束最小化问题为无约束最小化问题;3通过变分计算,解析导出梯度(Fréchet导数)表达式;4利用梯度法求解.此外,引入一阶吉洪诺夫(Tikhonov)正则化以应对逆问题的病态特性和噪声影响.数值应用中,将提出的方法应用到一个简单的三维癌变乳房模型,借助PRP共轭梯度(CG)算法和时域有限差分(FDTD)法,仿真结果初步证实本文方法的可行性、有效性和鲁棒性.     

有限元/边界积分方法在海面及其上方弹体目标电磁散射中的应用

本文将有限元/边界积分方法(FE/BIM)结合区域分解方法引入到粗糙海面及其上方目标 的电磁散射问题的研究中. 由于积分边界可以以任意形状设置在距模型表面任意远的距离处, 故本文采用共形人工边界结合区域分解建模方法截断模型的开放计算区域以减少求解未知量, 在截断区域内部采用有限元方法求解, 而计算区域的边界条件通过边界积分方程方法得到. 通过与矩量法获得的数值计算结果进行比较, 证明了该混合算法及模型处理方法的正确性, 进而研究了海面上方弹体目标的电磁散射特性, 并讨论了其双站散射系数随电磁波入射角度、目标高度、海面风速以及弹体尺寸的电磁散射特性变化情况. 本文结果可用于反演复杂背景下的目标信息及目标探测等领域. 关键词： 电磁散射 粗糙海面 目标 有限元/边界积分方法     

纤维复合媒质中的超声衰减

为了精确估计纤维复合煤质中散射所引起的超声衰减，必须计及纤维之间的多次散射现象本文提出了纤维复合煤质中任一点有效入射声场的计算方法当超声纵波传播方向与纤维轴线相垂直时，散射横波并不影响有效入射声场；导出了考虑多次散射后超声衰减系数的表达式；数值计算了玻璃／金属铝复合媒质中纵波衰减系数随频率的变化关系 关键词：     

基于压缩感知的目标频空电磁散射特性快速分析

矩量法是求解目标电磁散射问题的一种常用数值方法,因其精度较高而被广泛应用.应用矩量法求解目标频空电磁散射特性时,随着入射波的角度和频率的变化,需要间隔很小的角度和频率步长反复求解矩量法生成的矩阵方程,运算量极大.为解决此类问题,本文结合压缩感知理论和渐近波形估计形成一种新的有效计算方法.首先,基于压缩感知理论引入一种富含空间信息的新型入射源,其次,在该入射源照射下应用渐近波形估计技术求解,从而快速实现目标频空电磁散射特性分析.     

激光在不均匀随机媒质中的传播——多重散射的m-n阶矩方程的解

本文给出了受到多重散射的激光,在波传播方向上的物理参数的涨落是不均匀的、而垂直于传播方向上的物理参数的涨落又是均匀的随机媒质中传播时,当波受到前向小角度散射时,具有不同波数不同位置的场的矩方程的解析解.同时讨论了方程的解在激光传播研究中的一些应用.     

基于四能级原子系统模型增益媒质激光原理研究

作为超材料研究中的重点,增益媒质因其放大特性而表现出良好的应用前景．本文基于四能级原子结构系统模型,引入一种全新的抽运机理：高斯抽运．用时域有限差分方法对增益媒质激光产生原理进行模拟计算．数值模拟结果表明,该模型和新抽运机理的频谱特性、阈值特性以及动态演化过程和理论分析一致．研究结果可为计算更复杂超材料系统提供参考．     

各向异性超常媒质矩形波导的导波特性研究

研究中通过建立和求解填充各向异性超常媒质的矩形波导TE模式和TM模式的波动方程和场分布方程,讨论了各向异性超常媒质矩形波导的有效介电常数、有效磁导率、相位常数以及传输系数与所填充超常媒质本构参数之间的变化关系.研究发现,填充了各向异性超常媒质的矩形波导的导波特性在截止频率之上的频率区域,其导波特性由所填充超常媒质的横向本构参数决定,而与超常媒质的纵向本构参数无关.但是,在截止频率之下的频率区域,该矩形波导的导波特性则由所填充超常媒质的横向本构参数和纵向本构参数共同决定.研究中通过典型的计算实例对所得到的结 关键词： 各向异性 超常媒质 矩形波导 导波特性     

超声相控阵在多层媒质中的声场模式优化

针对超声在多层媒质中的传播特性,引入相位补偿因子并结合遗传算法, 提出了一种可对多层媒质进行声聚焦控制的方法.利用该方法对16×16二维超声相控阵在多层生物媒质中的多焦点声场模式进行了仿真,计算了生物媒质不同厚度层和不同吸收系数时的声场. 结果表明:该方法能优化多焦点声场模式,抑制旁瓣,提高声场增益,将声强最大限度地聚焦在目标区域内; 改变生物组织不同层的厚度和不同层的吸收系数,焦点位置不发生变化,但焦域内的声强会有所变化.     

Three-dimensional visualization of objects in scattering medium using integral imaging and spectral analysis

This paper presents a three-dimensional visualization method of 3D objects in a scattering medium. The proposed method employs integral imaging and spectral analysis to improve the visual quality of 3D images. The images observed from 3D objects in the scattering medium such as turbid water suffer from image degradation due to scattering. The main reason is that the observed image signal is very weak compared with the scattering signal. Common image enhancement techniques including histogram equalization and contrast enhancement works improperly to overcome the problem. Thus, integral imaging that enables to integrate the weak signals from multiple images was discussed to improve image quality. In this paper, we apply spectral analysis to an integral imaging system such as the computational integral imaging reconstruction. Also, we introduce a signal model with a visibility parameter to analyze the scattering signal. The proposed method based on spectral analysis efficiently estimates the original signal and it is applied to elemental images. The visibility-enhanced elemental images are then used to reconstruct 3D images using a computational integral imaging reconstruction algorithm. To evaluate the proposed method, we perform the optical experiments for 3D objects in turbid water. The experimental results indicate that the proposed method outperforms the existing methods.     

斜入射分层线性各向异性等离子体电磁散射时域有限差分方法分析

提出了斜入射分层线性各向异性等离子体电磁散射的时域有限差分(FDTD)方法,通过将二维麦克斯韦方程等价地转换为一维麦克斯韦方程,避免了用二维时域有限差分方法分析该散射问题,极大地提高了计算效率.分析推导了TEz和TMz波斜入射线性分层各向异性等离子体电磁散射的FDTD方法,然后通过该方法计算不同入射角的各向异性等离子板的电磁波反射系数,并与其解析解进行比较,结果表明该方法的准确性和有效性.最后,将该算法应用于计算涂覆分层各向异性等离子体金属板在不同入射角下的反射系数,分析了不同入射角对反射系数的影响.     

Monte Carlo simulation for millimeter wave propagation and scattering in rain medium

As the operating frequencies of communications systems more higher into the millimeter wave range, the effects of multiple scattering in precipitation media become more significant. This paper treats the problems of electromagnetic multiple scattering in rain medium by the Monte Carlo method. The em wave is regarded as a Markov chain of photon collisions in a medium in which it is scattered and absorbed. For the sake of simplicity, the polarization is not taken into account, the above mentioned problems are described by the scale integro-diffierential equation of transfer. When the plane wave through a random medium with particle size distribution, the technique of weighted average is used to characterize the radiation intensity, including average scattering, absorption coefficients and phase function. The Monte Carlo simulation algorithms are done for the rain attenuation and reflectance at millimeter wavelength region. Our computational results are in good agreement with experimental data of rain attenuation.     

一维带限Weierstrass分形分层地面与矩形截面导体柱复合电磁散射FDTD研究

运用时域有限差分方法研究一维带限分形分层粗糙地面与矩形截面导体柱的复合电磁散射,计算复合电磁散射的双站散射系数,得到复合散射系数随散射角的变化,讨论粗糙面高度起伏均方根、分维、中间层介质、下层介质及矩形截面导体柱的参数等对复合散射系数的影响.     

Two transparent boundary conditions for the electromagnetic scattering from two-dimensional overfilled cavities

We consider electromagnetic scattering from two-dimensional (2D) overfilled cavities embedded in an infinite ground plane. The unbounded computational domain is truncated to a bounded one by using a transparent boundary condition (TBC) proposed on a semi-ellipse. For overfilled rectangular cavities with homogeneous media, another TBC is introduced on the cavity apertures, which produces a smaller computational domain. The existence and uniqueness of the solutions of the variational formulations for the transverse magnetic and transverse electric polarizations are established. In the exterior domain, the 2D scattering problem is solved in the elliptic coordinate system using the Mathieu functions. In the interior domain, the problem is solved by a finite element method. Numerical experiments show the efficiency and accuracy of the new boundary conditions.     

大尺度分层介质电特性参数的反演方法研究

针对大尺度分层介质电磁场散射回波数据, 提出了一种用于分层介质特性参数反演的新方法, 实现了分层介质的介电常数、电导率和介质厚度的同时反演. 方法首先将这些参数的反演转化为最优化问题进行求解, 然后应用模拟退火算法搜索最优解, 充分利用算法的全局寻优能力, 同时改善了算法的搜索控制策略, 使算法在最优解的搜索过程中可以自适应地调整搜索步长, 提高了算法的搜索效率. 结果表明, 本文方法可以实现大尺度分层介质特性参数的准确反演, 且具有较强的抗噪声能力. 该方法可以应用于火星/月球 雷达探测回波数据的反演以及地下分层结构特性的分析. 关键词： 电磁散射 分层介质 模拟退火算法 最优化     

大尺度分层介质粗糙面电磁散射的特性研究

首先建立大尺度分层介质粗糙面散射的物理模型, 基于Stratton-Chu积分方程和Kirchhoff近似导出了粗糙面散射场的计算公式. 采用高斯随机粗糙面来模拟实际的分层介质粗糙面, 通过数值计算得到了正下视单站雷达接收到的后向散射回波. 理论推导了散射场强度与表面粗糙度之间的定量关系, 并从数值仿真的角度分析了表面和次表面的粗糙度对散射回波的影响, 给出了散射场随粗糙度变化的曲线. 最后考察了分层介质的电特性参数(介电常数和电导率)对分层粗糙面散射场的影响, 并对计算结果做出了分析.     

Wave diffraction by rough interfaces in an arbitrary plane-layered medium

Abstract

The problem of electromagnetic wave scattering by a slightly rough interface in an arbitrarily layered medium is solved by a small-perturbation method. The bistatic amplitude of scattering as well as the scattering cross sections for statistically rough surfaces are calculated for linear polarized waves. Along with scattering into up-going waves in a homogeneous medium and scattering cross sections in down-going waves into a layered medium, scattering amplitudes from a rough interface in the arbitrarily layered medium are obtained.     

粒子模拟中激励源的一种等效设置方法

 基于计算电磁学中对强迫激励源消除虚假反射的算法分析，提出了用等效电流和等效磁流在FDTD公式中引入电场激励源和磁场激励源的方法。从粒子模拟方法的基本方程和迭代公式出发，分析了激励源的引入过程，推导出激励源所等效的电流项和磁流项表达式，实现了新的激励源设置方法，并进行了数值验证和结果讨论。研究表明：这类等效模型与标准FDTD公式能紧密结合，引入非常方便；不必专门设置一个附加的散射场区来处理散射场的计算，大大节省了计算时间和计算内存，比常规总场/散射场体系方法的效率高20%以上，对粒子模拟这类耗时的计算较为适用。通过对2维柱坐标系下相对论速调管放大器(RKA)的模拟，证明了此类激励源设置方法的实用性。     

介质涂覆位置对双S弯排气系统电磁散射特性影响研究

尾喷管作为飞行器后向强散射源之一, 可通过特殊结构设计和介质涂覆缩减其雷达散射截面(RCS). 本文采用迭代物理光学法和阻抗边界条件的混合计算模型, 研究了6种涂覆方案和不涂覆时双S弯排气系统的电磁散射特性, 采用所提出的射线行程追踪方法提高了几何消隐计算效率, 利用前后向迭代方法加速收敛并采用openMP和MPI并行技术缩短计算时间, 获得了在X波段下7种模型的RCS随探测角度的变化规律. 研究结果表明, 介质涂覆能够有效抑制双S弯排气系统的RCS; 合理的介质涂覆方案不仅具有明显的抑制效果, 同时又具有经济性好、重量轻及涂覆方便等优势; 相比全涂覆方案, 仅在喷管出口附近涂覆的方案, 可减少73.6%的涂覆材料, 且其RCS的最大增幅不超过15.6%, 相比未涂覆方案, RCS 至少降低18.5%. 同时所开发的计算程序可用于任意腔体电磁散射特性的计算, 可为带介质涂覆腔体试验提供技术支撑.