分析色散目标电磁散射特性的时域体积分高阶Nystr*m方法技术

本发明专利技术公开了一种分析色散目标电磁散射特性的时域体积分高阶Nyström方法。与传统的基于SWG基函数的时域体积分方程方法相比，基于高阶Nyström方法的时域体积分方程方法可以更加灵活的分析色散媒质，尤其非均匀色散媒质的瞬态电磁散射特性。因为在该方法中，色散媒质的介电参数定义在离散曲四面体单元内的插值点处，这对离散单元内的电磁参数的描述更加准确。此外，该方法还对离散网格具有鲁棒性的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于色散目标电磁散射特性数值计算技术，具体是分析介质目标瞬态电磁散射特性的时域体积分方程方法。
技术介绍
目标电磁散射特性的获取与分析是电磁问题中的一个非常重要研究领域，目标的电磁散射波是雷达探测、遥感观测以及地质勘测等众多应用的信息来源，散射特性的定量分析是这些应用系统在设计和工作时的主要依据。雷达目标的形状和体积等物理量都是通过对雷达散射截面等参数进行计算得出的，且雷达散射截面积是雷达系统对目标“可观测性”的一个重要指标。因此，对于各种目标散射特性的研究在这些应用领域具有特别重要的现实意义。随着宽频带电磁散射系统的快速发展，时域电磁散射特性的分析越来越引起科研学者和工程人员的关注。时域体积分方法可以分析色散媒质的瞬态电磁散射特性(G.Kobidze,J.Gao,B.Shanker,andE.Michielssen,“Afasttiemdomainintegralequationbasedschemeforanalyzingscatteringfromdispersiveobjects,”IEEETrans.AntennasPropag.,vol.53,no.3,pp.1215–1226,Mar.2005.)。传统的基于SWG基函数的时域体积分方程方法，其分析高度不均匀的介质目标时，需要极其密的离散网格才能够描述准确其电磁参数特性，使得计算资源大大增加。且对于离散网格要求共形，即四面体单元共三角形面，这将阻碍其在某些实际电磁问题中的应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种分析色散目标电磁散射特性的时域体积分高阶方法。实现本专利技术目的的技术方案为：一种分析色散目标电磁散射特性的时域体积分高阶方法，步骤如下：第一步，建立介质时域体积分方程，即介质的电场边界条件，即总电场等于入射电场与散射电场之和，在介质体上建立时域体积分方程，入射电场为已知激励，使用调制高斯平面波作为入射电场，散射电场用待求的瞬态未知体电流来表示；第二步，针对色散目标，建立瞬态体电流与瞬态总电场之间的关系；第三步，对介质时域积体分方程，在空间上和时间上分别采用曲四面体单元和三角基函数进行离散；第四步，空间上和时间上均采用点匹配方式，形成待求解的矩阵方程，未知电流为介质瞬态体电流；第五步，求解矩阵方程，得到目标的瞬态体电流系数，再由瞬态体电流系数计算瞬态电磁散射参量。本专利技术与传统的基于SWG基函数的时域体积分方程方法相比，其显著优点为：可以更加灵活和准确地分析色散媒质，尤其非均匀色散媒质的瞬态电磁散射特性，且该方法还对离散网格具有鲁棒性的优点，即离散的四面体单元可以非共形。附图说明图1为曲四面体单元映射到局部空间(u,v,w)示意图。图2为色散目标示意图。图3为色散目标在不同频率点处的双站雷达散射截面积(RCS)：(a)30MHz，(b)150MHz，(c)270MHz。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述。一种分析色散目标电磁散射特性的时域体积分高阶方法，步骤如下第一步，令电磁波照射到色散介质目标上，在色散介质体内产生感应体电流J，根据介质的电场边界条件，即总电场等于入射电场与散射电场之和，得到介质时域体积分方程(TD-VIE)，如下：Einc(r,t)+Esca(r,t)＝Etot(r,t)(1)其中，Einc表示照射在介质目标上的电磁波的入射电场，Etot表示总电场，Esca表示介质目标在电磁波照射后产生的散射电场，瞬态散射电场的表达形式为：Esca(r,t)=▿▿·∫V∂t-1J(r′,t-|r-r′|/c)4πϵ0|r-r′|dV′-∫Vμ0∂tJ(r′,t-|r-r′|/c)4π|r-r′|dV′]]>其中V表示介质曲四面体单元，μ0和ε0分别表示自由空间的磁导率和介电常数，r和r′分别为场和源的位置坐标，c表示真空中的光速，和分别表示对时间的积分和对时间的求导。第二步，针对色散目标，建立瞬态体电流与瞬态总电场之间的关系；对于色散目标，其瞬态体电流J(r,t)与瞬态总电场Etot(r,t)之间存在如下关系式：Etot(r,t)=γ(r,t)⊗∂t-1J(r,t)---(3)]]>其中：γ(r,t)=F-1[1ϵ(r,ω)-ϵ0]---(4)]]>式中，r为观察点坐标，t表示某个时刻，ω为角频率，为时间维上求积分，表示时间卷积，F-1表示傅里叶逆变换，色散媒质的介电参数ε(r,ω)可被分解成ϵ(r,ω)=ϵ∞(r)+ϵ‾(r,ω),]]>且ϵ∞(r)=limω→0ϵ(r,ω),]]>可表示成有理多项式形式。分析三种常用的色散媒质模型，即：Debye媒质模型，Lorentz媒质模型以及Drude媒质模型。对于Debye媒质模型，其介电参数表示为：ϵ(r,ω)=ϵ∞+ϵs-ϵ∞1+jωt0---(5)]]>式中，εs为静态介电参数，t0为弛豫时间。由(4)式可得：γ(r,t)=1ϵs-ϵ∞[δ(t)+t0δ′(t)],ϵ∞=ϵ01ϵ∞-ϵ0δ(t)-ϵs-ϵ∞t0(ϵ∞-ϵ0)2e-ϵs-ϵ0t0(ϵ∞-ϵ0)tu(t),ϵ∞≠ϵ0---(6)]]>对于Lorentz媒质模型，其介电参数表示为：(r,ω)=ϵ∞+(ϵs-ϵ∞)ωp2ωp2+j2ωδp-ω2---(7)]]>式中，εs为静态介电参数，ωp为固有频率，δp为碰撞频率。由(4)式可得：γ(r,t)=ωp2(ϵs-ϵ∞)ωp2δ(t)+2δp(ϵs-ϵ∞)ωp2δ′(t)+1(ϵs-ϵ∞)ωp2δ′′(t),δ∞=ϵ01ϵ∞-ϵ0&本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种分析色散目标电磁散射特性的时域体积分高阶方法，其特征在于步骤如下：第一步，建立介质目标的时域体积分方程；第二步，针对色散目标，建立瞬态体电流与瞬态总电场之间的关系；第三步，对介质时域积体分方程，在空间上和时间上分别采用曲四面体单元和三角基函数进行离散；第四步，形成待求解的矩阵方程，未知电流为介质瞬态体电流；第五步，求解矩阵方程，得到目标的瞬态体电流系数，再由瞬态体电流系数计算瞬态电磁散射参量。

【技术特征摘要】
1.一种分析色散目标电磁散射特性的时域体积分高阶方法，其特征在于步骤如下：第一步，建立介质目标的时域体积分方程；第二步，针对色散目标，建立瞬态体电流与瞬态总电场之间的关系；第三步，对介质时域积体分方程，在空间上和时间上分别采用曲四面体单元和三角基函数进行离散；第四步，形成待求解的矩阵方程，未知电流为介质瞬态体电流；第五步，求解矩阵方程，得到目标的瞬态体电流系数，再由瞬态体电流系数计算瞬态电磁散射参量。2.根据权利要求1所述的分析色散目标电磁散射特性的时域体积分高阶方法，其特征在于:所述步骤2中，对于色散目标，目标的瞬态体电流J(r,t)与瞬态总电场Etot(r,t)之间存在如下关系式：Etot(r,t)=γ(r,t)⊗∂t-0J(r,t)---(1)]]>其中，γ(r,t)=F-1[1ϵ(r,ω)-ϵ0]---(2)]]>式中，r为观察点坐标，t表示某个时刻，ω为角频率，为时间维上求积分，表示时间卷积，F-1表示傅里叶逆变换，色散媒质的介电参数ε(r,ω)可被分解成ϵ(r,ω)=ϵ∞(r)+ϵ‾(r,ω),]]>且ϵ∞(r)=limω→0ϵ(r,ω),]]>可表示成有理多项式形式；分析三种常用的色散媒质模型，即：Debye媒质模型，Lorentz媒质模型以及Drude媒质模型：Debye媒质模型，其介电参数表示为：ϵ(r,ω)=ϵ∞+ϵs-ϵ∞1+jωt0---(3)]]>式中，εs为静态介电参数，t0为弛豫时间，由(2)式可得：γ(r,t)=1ϵs-ϵ∞[δ(t)+t0δ′(t)],ϵ∞=ϵ01ϵ∞-ϵ0δ(t)-ϵs-ϵ∞t0(ϵ∞-ϵ0)2e-ϵs-ϵ0t0(ϵ∞-ϵ0)tu(t),ϵ∞≠ϵ0---(4)]]>Lorentz媒质模型，其介电参数表示为：ϵ(r,&...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈如山，徐涛，丁大志，樊振宏，曹军，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32