2电磁散射问题的数值计算.doc

第二章 电磁散射问题的数值计算 如前所述，电磁数值计算方法的运用，待求场函数的解答将最终归结为离散方程组的求解，此离散方程组在电磁场工程问题中，经常遇到的是线性代数方程组。为使电磁工程计算问题应用数值计算方法解决，必须将实际工程问题进行相关处理，如图1所示：前处理电磁场数值计算后处理图2-1 电磁场数值计算流程 图2-1中的“前处理”包括采用一定的方式将所研究的场域离散化。这种离散化的场域划分要适应实际问题“电磁建模”的需要，便于实际问题的电磁数学模型的建立。在“后处理”中人们可依待求问题的性质，给出各种形式的解答（原始数据显示，曲线图表显示，可视化数据图形，数据处理和特征提取等）。 本章概述“前处理”、“电磁场数值计算”和“后处理”在雷达目标电磁散射问题中的内容。2.1 电磁散射问题的前处理 对电磁散射问题而言，通常人们关心的问题是雷达目标表面上的感应电流分布，目标近区和远区散射场分布，目标雷达散射截面RCS，目标雷达成像以及雷达目标特征量的提取等。1. 雷达目标（散射体）分类 在“前处理”中，首先要视目标的几何、物理特征，对目标施以适当的离散化模型。为适合电磁散射问题的求解，我们将散射体按其材料构成，几何形状的复杂程度和目标可探测性三方面进行分类（必须指出，根据求解问题的性质，可以有不同的分类形式）。l 按材料构成分类n 完纯导体材料组成的目标（如常规飞行器，坦克，舰艇等）n 介质材料与导电材料组合目标n 均匀及非均匀吸波材料涂覆的导体目标l 按目标几何形状的复杂程度分类n 二维散射体n 三维散射体n 简单形状的典型体（如球、柱、椭球、橄榄体、角反射器等）n 复杂形状散射体l 按目标可探测性分类n 常规目标（如常规飞行器，常规舰艇等）n 低可探测目标（如隐形飞机F117,YF22，隐形舰艇等）2. 目标几何建模 目标几何外形的建模就是由数学模型和各种电磁参数来描述目标的外表面、棱边、腔体、非几何连续面等等，是电磁场散射数值计算的前提和基础。目标几何建模的精度与目标的电磁计算结果紧密相关，对目标模拟得越逼真越准确就可以得到精度越高的散射场计算结果。 这里的几何建模主要是指复杂目标的几何建模。各种模拟目标几何外形方法已经应用于复杂目标的几何建模，这些方法包括：（1）标准体法，即目标用若干个散射场可求出的典型标准体组成。这一方法只能应用于具有简单外形的目标，例如表面由或近似由标准体（圆柱、圆锥、球等）组成的目标。所以人们利用此方法分析散射问题时，建模就面临许多限制，并且计算所得的散射场也不能精确地反应真实目标的散射场；（2）部件分解法。这一方法应用于电大尺寸物体，即（为波数，L为物体的最大尺寸）。即将复杂目标分解成若干部件，每一部件都用简单的基本几何形体如平板、劈、锥、柱等及其组合体来模拟，再利用高频计算方法计算各部件的散射场，然后对选定的公共相位参考点把各部件的散射场叠加，即得到整个目标的总散射场，这种方法简单易行。显然，后者比前者更具灵活性，但由于它忽略了遮挡和多次散射，仍然只能提供粗略的散射场估算。 （3）计算机辅助几何设计(CAGD)法。CAGD是根据目标几何外形的信息，借助样条函数做出数学模型，进而求出电磁散射计算所需要的足够信息。应用计算机辅助几何设计(CAGD)建立目标几何外形，可以克服上面所提到的缺陷。目前CAGD有两种，即面元法和样条参数曲面法。面元法就是用三角形或四边形面元（facets）和棱边（wedges）描述目标，面元和棱边的组合构成表面，表面的组合构成物体。CAGD面元法有以下优点：1) 无目标几何外形的限制2) 无目标分解单元形状的限制3) 易于改变目标的形状4) 可实现对多次散射的分析5) 可直接实现遮挡问题6) 目标上的任一部分表面可涂敷非导电介质或吸波涂层7) 目标表面可以有几何非连续面3. 网格生成及处理 不同的数值计算方法有不同的网格生成方式，同一种计算方法也可有多种不同的网格划分方法。网格的划分也与目标的几何形状有关。2.2 电磁场数值计算方法分类电磁场数值计算方法时域频域时域积分方程法（IETD）时域有限元法（FETD）时域有限差分法（FDTD）低频高频偏微分方程法（PDE）积分方程法（IE）有限元法（FEM）有限差分法（FDM）矩量法（MOM）共轭梯度FFT(CGFFT)快速多极子法（FMM）几何光学（GO）物理光学（PO）几何绕射理论（GTD）物理绕射理论（PTD）一致性GTD（UTD）一致性PTD（UAT）射线追踪法(SBR)混合法图2-2 电磁场数值计算方法分类图形电磁计算(GRECO)电流步进法(CMT) 电磁辐射和散射问题的解析方法是通过满足严格边界条件的波动方程求目标问题的严格解。但是，在电磁学领域内，实际上只有极少数有实际意义的问题可用解析方法求解，这是因为只有那些几何形状和正交坐标系共形从而使波动方程成为可分离变量方程的问题才能求得严格解。因此，在过去的半个世纪中，随着计算机技术的发展出现了多种电磁场的数值解法