基于高效建模方法的宽带电磁散射应用研究

论文摘要

近年来,宽带电磁散射计算在现代的超宽带天线、合成孔径雷达、目标识别与探测等领域有着迫切的需求,急需找到一种能够快速、精确、稳定和高效的方法来模拟和分析宽带时域响应。目前计算宽带电磁场有三种方法:时域方法、频域方法和时频互推方法。本文通过对上述三种方法的分析和实验对比,得出它们各自在计算时间、存储量、稳定性、精确性等方面的优缺点。频域分析方法一般采用矩量法(MOM)与快速傅立叶变换(FFT)相结合来计算宽带电磁散射。随着快速多极子方法(FMM)和多层快速多极子方法(MLFMA)研究和应用,频域方法得到进一步的发展,目前已经可以应用计算电大尺寸目标的宽带电磁响应。本文第二章以多层快速多极子方法(MLFMA)为基础,采用频域方法计算宽带电磁散射,将其目标回波响应与直接采用时域方法的计算结果对比,验证了频域方法的精确性和有效性,并且为计算复杂三维电大尺寸目标的宽带回波提供了一种可行的途径。传统的点频法或窄频法需要计算目标在多个频率点处的散射场,当所求的为宽带电磁散射时,计算量非常大。采用计算电磁学中的插值技术则可以有效的解决这个问题。在第二部分,本文研究了目前较为广泛应用的多种高效插值算法,如渐进波形近似(AWE)、基于模式的参数估计(MBPE)、归一化电流插值等。以上方法已经摆脱了插值技术研究初期纯粹采用数学方法对散射场插值的不精确等缺点,结合了计算电磁学的物理原理,提取出求解过程中随频率缓变的因子进行处理,所以,应用到宽带电磁散射计算时都具有很好的效果。在保证一定精度的前提下,极大地节约了计算量。本文对它们在宽带范围的应用进行了研究和对比分析,并且探讨其特性和适用范围。雷达目标识别急需一种能够对复杂电大尺寸目标的宽带电磁散射进行求解的算法。本文以电磁学的高效计算方法为工具,根据散射中心原理,提出了一种基于等效散射中心模型的频域插值方法,并利用雷达成像算法信号旋转不变参数估计技术(ESPRIT)求解模型。与传统雷达成像的信号处理算法不同的是,目标在不同频率下的散射场不再是由测量所得,而是通过高效电磁建模模拟计算所得,本文通过实例分析不但验证了该方法在复杂电大尺寸目标宽带电磁散射计算中的有效性,还根据模型的电磁特性将ESPRIT算法做出改进和优化,使其更加符合计算电磁的模型应用。本文从迫切的工程需求出发,通过实验验证,为求解复杂电大目标的宽带电磁散射提供了一条可行的途径,并对计算简单目标的宽带插值算法进行研究,提出一种用于复杂电大目标的插值方法,进一步完善了宽带电磁散射应用的计算体系。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 宽带电磁散射的研究背景
• 1.1.1 宽带电磁散射的发展和应用
• 1.1.2 宽带电磁散射的研究方法
• 1.2 本文的研究思路及主要工作
• 1.3 本文的结构安排
• 第二章 求解宽带电磁散射的主要方法
• 2.1 时域法分析宽带电磁散射
• 2.1.1 时域有限元方法
• 2.1.2 时域有限差分方法
• 2.1.3 时域积分方程方法
• 2.1.4 时域方法的比较
• 2.2 采用频域方法分析宽带电磁散射
• 2.2.1 表面电场积分方程
• 2.2.2 矩量法
• 2.2.3 快速多极子方法
• 2.2.4 多层快速多极子算法
• 2.2.5 频域法计算宽带电磁散射
• 2.3 时频互推方法
• 2.4 宽带电磁散射计算方法对比分析
• 2.5 小结
• 第三章 宽带电磁散射的内插与外推技术
• 3.1 渐进波形估计（AWE）
• 3.1.1 AWE 算法的基本原理
• 3.1.2 AWE 插值算法在宽带电磁散射的应用
• 3.2 基于模式的参数估计（MBPE）
• 3.2.1 MBPE 的基本原理
• 3.2.2 采用MBPE 计算宽带电磁散射
• 3.3 表面感应电流插值
• 3.3.1 传统表面感应电流插值
• 3.3.2 归一化感应电流插值
• 3.3.3 归一化感应电流插值技术在宽带电磁散射中的应用
• 3.4 小结
• 第四章 基于等效散射中心模型的插值方法
• 4.1 散射中心模型原理以及建模
• 4.1.1 散射中心建模原理
• 4.1.2 模型的物理意义
• 4.1.3 模型关键参数分析
• 4.2 采用ESPRIT 求解散射中心模型参数
• 4.2.1 ESPRIT 方法
• 4.2.2 TLS—ESPRIT 方法
• 4.2.3 酉ESPRIT
• 4.3 采用盖氏圆盘定理估计散射中心数目
• 4.4 ESPRIT 方法的改进和优化
• 4.5 算例分析
• 4.6 小结
• 第五章 总结
• 致谢
• 参考文献
• 在校期间撰写和发表的论文目录