带缝隙物体电磁散射分析的FDTDPO-PTD方法.pdfVIP

带缝隙物体电磁散射分析的FDTD/PO-PTD 方法1 施亚妮，李丽娟 湖南大学计算机与通信学院，长沙 (410082) E-mail ：syn1618@ 摘 要：本文提出了一种分析计算带有缝隙的电大尺寸复杂目标电磁散射问题的混合方法－ FDTD/PO-PTD 方法。该方法中，应用时域有限差分法（FDTD ）为基本方法，提取槽缝口 径面上等效电磁流进而求的槽缝的散射场。采用物理光学法(PO)和物理绕射理论(PTD)分析 电大尺寸规则目标的电磁散射特性。将此方法用于带有缝隙的二维导电柱的电磁散射特性分 析，计算结果与矩量法的数据一致性很好，从而验证了该方法的准确性。理论分析与计算结 果表明，该法与其它计算同类问题的方法相比，能节省计算机存储单元、提高计算速度。 关键词：电磁散射；时域有限差分法；物理光学法；物理绕射理论 中图分类号：TP309；TP391.41 1．引言 随着隐身技术研究方法的不断深入，对飞行器散射特性的研究己从对主要强散射源如机 身、机翼、发动机、座舱和雷达舱的研究，发展到对飞行器表面各种电磁不连续性的研究。 飞行器表面的不连续性概括起来主要是各种缝隙、台阶和边缘的散射，如从电磁散射机理上 看，飞机舱门口盖的散射就可分解为缝隙、台阶、边缘和腔体等的散射。这时，由于单纯的 高频近似方法本身的局限性使其不能刻画电小尺寸结构的细节，难以精确描述这些电小结构 对目标散射总场的贡献，而在许多情况下这种误差往往不可接受，测试技术也很难捕捉或分 解出这些散射源的本质,因此必须对现有的分析方法进行改进和完善[1] 。因此，采用高频近似 方法和低频数值方法相结合的混合方法是解决上述问题的一条现实途径。电磁散射混合方法 的研究具有强烈的工程和军事需求背景。 本文将时域有限差分法(FDTD)[2]与物理光学(PO)[3]和物理绕射理论(PTD)[4]相结合，分析计 算电大尺寸复杂目标的电磁散射特性。根据等效原理，将原有问题近似分解为缝隙填充完纯 导体后大导体的散射和缝隙散射两个问题，分别采用上述高频和低频方法进行分析，利用缝 隙开口面场的连续性条件将内外场耦合在一起，从而研究整个复杂目标的电磁散射特性。 2 ．基本理论 所研究的带有缝隙的电大尺寸目标，其结构示意图如图1 所示，根据电磁场场等效原理 的第一推广定理 ，缝隙开口面对散射场的贡献可以用两种或只用一种面流（电流或磁流） 作为等效场源。对所研究问题，可用带有面磁流的理想的导体将缝隙的口径封住，解决这个 问题需要用混合方法来计算。并采用场等效原理来将原始问题分成两个问题，分解示意图如 图2 ： (a) 将缝隙填充，纯导体或大导体的散射； (b) 缝隙开口面等效磁流产生的散射； 对于(a)，含有缝隙的大的目标体填充完美导体，这个问题用高频算法可以得到高效的 计算。本文采用PO+PTD 算法计算。 对于(b)，缝隙覆盖完美导体面后内部磁流产生的场，采用基于FDTD 的低频方法，提 取槽口径面上的等效电磁流，进而求出缝隙开口面的散射场。该方法的最大优点是可以处理 1本课题得到湖南省自然科学基金（基于点方向的指纹特征提取研究），湖南省教育厅项目（06C790）资助。 - 1 - 内部填充或涂覆复杂非均匀介质的槽缝。 结合以上两种高低频算法的创新混合算法，是高效并精确的计算带有缝隙结构的电大导 体散射场技术。 图1 带槽缝电大导体 图2 原问题的分界示意图 2.1 FDTD 提取槽缝口径面的等效磁流 根据等效面磁流公式 uur $ ur M =−n × E (1) uur ur 要求出等效面流M ，必须先求得口径面上电场E 的值。设在无限大理想导体平面上有一矩 形糟，深为0.8 λ ，宽为1.2λ ，如图3 。我