基于移位算子时域有限差分的色散薄层节点修正算法

提出了一种时域有限差分（FDTD）计算中色散介质薄层问题处理的新算法.对于厚度小于一个元胞尺度的电小尺寸色散介质薄层问题,采用将元胞内电位移矢量和磁感应强度加权平均的方法,求得薄层所在元胞内修正点处的等效介质参数.然后根据常见色散介质模型,包括Debye模型、Lorenz模型、Drude模型等,介电常数和磁导率可以表示为jω分式多项式的特点,结合频域到时域的转换关系（即用/t代替jω）和移位算子方法得到了修正点处的时域本构关系,进而获得时域递推计算式.数值结果表明,该方法具有通用、节省计算时间、节省内存和计算精度良好等优点.     

高阶色散介质的改进移位算子时域有限差分方法

提出一种适用于高阶Debye,Drude,Lorentz及其混合模型的改进移位算子的时域有限差分(SO-FDTD)方法。从介质极化率函数出发,将其写成一阶或二阶有理分式求和的形式,并在随时间步推进计算的过程中,通过引入中间变量和设置临时变量,克服了常规SO-FDTD将高阶模型直接转化为有理分式所导致的计算复杂性和内存占用量大的问题。同时,改进SO-FDTD方法的时域推进计算步骤具有通用性,克服了常规递归卷积(RC-FDTD)方法对各种高阶模型具有不同计算公式,因而不能形成通用计算程序的问题。最后,通过空气-高阶色散介质界面的反射系数计算验证了算法的有效性和通用性。     

高阶色散介质的改进移位算子时域有限差分方法

提出一种适用于高阶Debye,Drude,Lorentz及其混合模型的改进移位算子的时域有限差分(SO-FDTD)方法。从介质极化率函数出发,将其写成一阶或二阶有理分式求和的形式,并在随时间步推进计算的过程中,通过引入中间变量和设置临时变量,克服了常规SO-FDTD将高阶模型直接转化为有理分式所导致的计算复杂性和内存占用量大的问题。同时,改进SO-FDTD方法的时域推进计算步骤具有通用性,克服了常规递归卷积(RC-FDTD)方法对各种高阶模型具有不同计算公式,因而不能形成通用计算程序的问题。最后,通过空气-高阶色散介质界面的反射系数计算验证了算法的有效性和通用性。     

一种基于数字信号处理技术的改进通用色散介质移位算子时域有限差分方法

借鉴数字信号处理技术中的无限脉冲响应滤波器实现的思想,提出一种适用于通用色散介质的改进移位算子时域有限差分（shift operator finite-difference time-domain,SO-FDTD）方法.与原SO-FDTD方法相比,改进的SO-FDTD方法内存占用减少33%以上,同时计算时间也有所减少.最后通过一阶、二阶色散介质雷达散射截面计算验证了方法的通用性和有效性. 关键词： 时域有限差分 色散介质 移位算子     

一种处理色散介质问题的通用时域有限差分方法

色散介质的介电系数是频率的函数,使本构关系在时域成为卷积关系.这就给用时域有限差分方法计算色散介质中波的散射和传播带来了困难.现有算法往往要针对不同色散介质模型推导相应的递推公式,算法的通用性较差.本文完善和发展了移位算子-时域有限差分方法,使之成为一种处理色散介质电磁问题的通用方法.首先,证明了常见的三种色散介质模型(德拜模型、洛伦兹模型和德鲁模型)的介电系数均可以写成适于移位算子法计算的有理分式函数形式.然后,用/t代替jω,过渡到时域,再引入时域移位算子z_t代替时间微分算子来处理有理分式函数形式的介电系数,给出离散时域本构关系的表示式,进而导出时域有限差分方法当中电位移矢量和电场强度之间的关系.最后,计算了几种色散介质的电磁散射,数值结果表明了本文方法和程序的通用性和正确有效性. 关键词： 时域有限差分方法 色散介质 移位算子     

色散介质电磁特性时域有限差分分析的Newmark方法

根据Debye模型、Drude模型和Lorentz模型3种常见色散介质模型频域极化率的特点,利用频域到时域的转换关系jω→?/?t,将极化矢量P与电场强度E的频域关系转换成时域内关于P的二阶微分方程,其对3种色散介质模型皆适用,具有统一的形式.然后采用相比于中心差分具有更高精度的Newmark两步算法(Newmark-β-γ法)求解该方程,进而得到E→P的递推公式,再结合本构关系得到D→E的时域递推式.实现了色散介质电磁场量的时域有限差分迭代计算.数值计算结果表明该方法是适用于3种色散介质模型的通用算法,并且相比于移位算子时域有限差分方法等以中心差分为基础的离散方案具有更高的计算精度.     

磁各向异性色散介质散射的Pad啨时域有限差分方法分析

根据矩阵Pad啨逼近理论,把磁化色散介质的相对磁导率张量表示成以jω为自变量的矩阵函数形式,用/t代替jω后过渡到时域,再引入离散时域移位算子代替时间微分算子.进而导出磁化色散介质中的磁感应强度B和磁场强度H在离散时域的色散关系,并将其具体应用于旋磁介质,得到了这种磁化色散介质的Pad啨时域有限差分方法的递推表达式.作为验证,用这种方法计算了磁化铁氧体球的后向雷达散射截面,所得结果与文献结果一致.理论推导及算例表明,该方法是正确和有效的.     

磁各向异性色散介质散射的Padé时域有限差分方法分析

根据矩阵Padé逼近理论，把磁化色散介质的相对磁导率张量表示成以jω为自变量的矩阵函数形式，用/t代替jω后过渡到时域，再引入离散时域移位算子代替时间微分算子.进而导出磁化色散介质中的磁感应强度B和磁场强度H在离散时域的色散关系，并将其具体应用于旋磁介质，得到了这种磁化色散介质的Padé时域有限差分方法的递推表达式.作为验证，用这种方法计算了磁化铁氧体球的后向雷达散射截面，所得结果与文献结果一致.理论推导及算例表明，该方法是正确和有效的. 关键词： 各向异性介质 色散介质 矩阵Padé逼近 时域有限差分方法     

色散金属光学特性分析通用时域有限差分方法

结合数字信号处理中的半解析递归卷积(SARC)算法,提出一种用于金属光学特性分析的改进半解析递归时域有限差分方法(SARC FDTD)。该方法保持了SARC算法的绝对稳定性和高精度、低内存等优点,又利用梯形近似使FDTD递推公式更加简洁,计算效率进一步提高,对于各种常用金属色散模型,均只需给出模型的极点和对应的系数,即可运用该算法的程序进行计算,具有较好的通用性。最后,通过金属的高阶Lorentz,Drude-Lorentz和Drude-CP三种常用色散模型对算法进行了验证。     

色散金属光学特性分析通用时域有限差分方法

结合数字信号处理中的半解析递归卷积(SARC)算法,提出一种用于金属光学特性分析的改进半解析递归时域有限差分方法(SARC FDTD)。该方法保持了SARC算法的绝对稳定性和高精度、低内存等优点,又利用梯形近似使FDTD递推公式更加简洁,计算效率进一步提高,对于各种常用金属色散模型,均只需给出模型的极点和对应的系数,即可运用该算法的程序进行计算,具有较好的通用性。最后,通过金属的高阶Lorentz,Drude-Lorentz和Drude-CP三种常用色散模型对算法进行了验证。     

一种适用于任意阶空间差分时域有限差分方法的色散介质通用吸收边界条件算法

基于伸展坐标完全匹配层方程和辅助微分方程 方法, 给出了一种在时域有限差分(FDTD) 计算中适用于常见色散介质的通用边界条件算法. 该算法适用于任意阶的FDTD空间差分, 并且由于所采用的D-H方程独立于计算区域, 所以可以被用于截断任意电介质. 数值试验结果表明, 与卷积完全匹配层 算法相比较, 所提出的吸收边界条件算法不仅通用性强、 计算复杂度低、 计算时间短, 并且吸收效果有明显的提高.     

二维电磁逆散射问题的时域高斯-牛顿反演算法

为了直接利用超宽带(UWB)时域测量数据,同时重建二维(2D)目标(OI)的介电常数和电导率,本文将频域高斯-牛顿反演(GNI)算法发展为时域形式.迭代重建过程中,正问题由时域有限差分(FDTD)法求解,而逆问题的病态特性用自适应正则化技术抑制.四类数值算例中,噪声影响均被考虑,仿真结果初步证实了改进算法的可行性和鲁棒性.重建图像呈现超分辨率(SR),有望应用到早期乳腺癌检测等实际问题中.