基于FDTD方法的地球—电离层波导系统极低频/超低频电磁建模与分析

论文摘要

本文采用球坐标FDTD方法来对地球—电离层波导系统进行极低频/超低频(ELF/SLF)电磁建模与分析,论文的创新点和主要研究工作如下:一.针对球坐标FDTD方法,设计建立了波导系统的二维、三维几何模型,并严格推导相应的FDTD迭代方程以及算法的稳定性条件,同时在不同仿真实验中进行了验证;二.针对传统FDTD方法的耗时多,计算速度慢的特点,我们采用了晶格合并技术对南北极附近的晶格进行合并,降低了极点区域的晶格密度,较大幅度地增加了FDTD时间步,提高了运算速度;三.提出了两种局部区域高分辨率的建模技术,分别对直角坐标系和球坐标系下非均匀FDTD方法进行局部区域高分辨率建模,可以任意改变波导系统内指定区域的网格密度,灵活提取局部区域电磁场的变化特征,满足了实际计算和测量中的高精度要求;四.率先将地理信息系统(GIS)数据、公认的全球陆地—海洋的电磁物理参数(电导率等)以及测量的电离层电导率参数模型,共同融合形成了整个地球—电离层波导系统的真实电磁模型;计算结果表明,该模型真实反映了实际的地球—电离层波导系统的电磁传播特征;五.采用高性能计算技术,对地球—电离层波导系统的ELF/SLF电磁传播进行加速计算。构造基于消息传递(MPI)机制的并行计算环境,并提出了球坐标并行FDTD的区域分割技术,有效提高了计算速度;六.进行ELF/SLF电磁仿真软件的设计工作,使得整个计算系统具有良好的人机交互界面,能够自动输出仿真结果和仿真曲线图,方便地对各种参数进行设置,满足不同用户的需求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 图表清单
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和科学意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 作者所做的主要工作及论文内容安排
• 1.4 本文的结构安排
• 第二章 地球—电离层波导系统的基本电磁建模与分析
• 2.1 地球—电离层波导系统的基本概念
• 2.2 基于二维球坐标FDTD 方法的地球—电离层波导系统的电磁建模
• 2.2.1 二维球坐标FDTD 方法
• 2.2.2 二维球坐标的FDTD 方法的边界条件和稳定条件
• 2.2.3 一种增大球坐标FDTD 时间步的方法
• 2.2.4 一些计算结果与分析
• 2.3 基于三维球坐标FDTD 方法的地球—电离层波导系统的电磁建模
• 2.3.1 三维球坐标FDTD 方法
• 2.3.2 三维球坐标FDTD 方法的边界条件和稳定条件
• 2.3.3 电离层电导率的引入
• 2.3.4 陆地—海洋的电导率的引入
• 2.3.5 舒曼谐振的介绍与仿真
• 2.3.6 一些计算结果与分析
• 2.4 全球ELF/SLF 系统仿真软件
• 2.5 本章小结
• 第三章 局部区域高分辨率的地球—电离层波导系统建模与分析
• 3.1 局部区域晶格精细化的必要性
• 3.2 基于直角坐标FDTD 的局部区域高分辨率ELF/SLF 电磁建模
• 3.2.1 直角坐标FDTD 的建模思路
• 3.2.2 局部区域ELF/SLF 系统仿真软件
• 3.3 基于球坐标非均匀FDTD 的局部区域高分辨率ELF/SLF 电磁建模
• 3.3.1 基于球坐标非均匀FDTD 的局部区域高分辨率ELF/SLF 电磁建模的意义
• 3.3.2 球坐标非均匀FDTD 方法及其稳定条件
• 3.3.3 一些计算结果与分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于球坐标并行FDTD 的ELF/SLF 电磁仿真
• 4.1 引入球坐标并行FDTD 的必要性
• 4.2 基于消息传递（MPI）机制的球坐标并行FDTD 方法的实现
• 4.2.1 基于MPI 的并行计算环境的搭建
• 4.2.2 球坐标并行FDTD 的区域分割方法
• 4.2.3 一些计算结果与分析
• 4.2.4 球坐标并行FDTD 的并行性能分析与改善
• 4.3 本章小结
• 第五章 全文总结与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 后续研究工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文