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[硕士论文] 孔鹏飞
物理学 西安电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:当使用大功率高频无线电波对电离层进行加热时,在反射高度附近会激发朗缪尔湍流,改变离子和电子的分布特征,并对非相干散射雷达探测的后向散射功率谱强度产生很大影响,使得利用平衡态等离子体的非相干散射理论反演扰动电离层参量存在严重误差。本文基于电离层加热基本理论,对加热中反射高度附近出现的异常非相干散射谱,尤其针对带有零频峰的三峰结构异常谱进行了研究,分析了产生异常谱的物理机理,数值模拟了加热激励的朗缪尔湍流,并通过改进的反演方法对扰动电离层参量进行反演。论文的主要工作如下:
  1、基于2010年9月6日我国在Troms(o)附近开展的电离层加热实验,使用GUISDAP和RTG两种非相干散射雷达数据处理软件对实验中反射高度附近出现的异常非相干散射谱进行了提取和分析。重点对带有零频峰的三峰结构异常非相干散射谱进行了分析,统计并考察了其在加热中发生的时间规律以及时空演化特征。结果表明,这种带有零频峰的三峰异常谱由激发的振荡双流不稳定性产生,一般出现在加热的开启阶段,并且一般只能维持一到两个时间点。但由于等离子体与加热波之间相互作用的持续,三峰谱在加热开启后的某些时间点仍会出现。此外,三峰谱只能覆盖很窄的高度范围,大概几千米甚至更少。
  2、使用国际参考电离层IRI-2012和MSIS-E-90大气模型获取反射高度附近的电离层参量,对Arecibo、Troms(o)和HAARP三个地区不同时间不同加热频率下激发不稳定性的电场阈值进行了计算。结果表明,在反射高度附近,参量衰变不稳定性(PDI)的激发阈值要比振荡双流不稳定性(OTSI)的激发阈值小很多,并且激发阈值会随加热频率的升高而升高。在此基础上,验证了2010年9月6日的加热实验中激发了参量衰变不稳定性和振荡双流不稳定性。
  3、基于Zakharov模型,选取高纬地区的Troms?和低纬地区的Arecibo作为模拟加热地点,对电离层加热中的朗缪尔湍流进行了数值模拟。仿真得到的波数谱能很好地反映朗缪尔波和离子声波之间的耦合关系,且驱动电场幅度越大,朗缪尔湍流越快达到饱和,功率谱的级联结构越不明显。通过Zakharov模型的仿真结果计算等效的非相干散射谱,在反射高度附近获取了明显的不对称双峰谱、级联谱以及带有零频峰的谱。
  4、基于带有零频峰三峰结构的异常谱,在传统非相干散射雷达的反演及误差分析方法基础上,提出一种改进的多参数反演方法。通过将位于零频的 PGM峰去除,并利用经验的加热电子速率分布——超高斯分布和Bump-on-tail分布进行反演,反演结果在合理范围之内,验证了改进反演方法的可行性,同时说明标准GUISDAP分析程序对VHF雷达数据的反演误差很大。此外,反演结果表明PGM的存在会致使对电子温度的低估。
[硕士论文] 魏姣
物理学 西安电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:电磁态势评估对军民用通信、电子对抗、干扰源定位侦查等领域具有重要的研究价值,准确、高效、实用的电磁态势评估技术对上述领域的发展意义重大。
  目前,各种经验、半经验信道模型只能用于估计某种链路环境下的链路余量,不能用于电磁态势“精准”评估预测,以射线追踪法为主的精确性模型可以对场强进行精确计算,但其繁重的计算量以及对全路径地物分布数据库的需求都约束了此类方法的实际应用,满足不了复杂环境中场强预测的工程应用需求。
  本文提出一种准确、高效、工程实用的电磁态势评估方法,可实现无GIS帮助下电磁态势的“精准”评估,本文的主要研究内容如下:
  从电波传播角度对静态地形、地物的形态进行分类,对地物边界进行几何等效。分析了电磁态势评估对地物几何特性参数的需求,并对所需地物边界的几何特性参数进行了研究和总结,为场强的精确计算奠定了几何基础。
  通过对地形地物反射特性随介电参数的变化情况进行仿真分析,得出在电磁态势评估中实地测量获取地形地物电磁特性参数的必要性,基于此本文提出利用工程可操作性较强、较可靠的“垂直透射法”来测量与反演地物电磁特性参数,进而确定实际电波传播环境中地物边界的反、绕射系数,为场强的精确计算奠定基础。
  针对复杂地物环境提出一种实用电磁态势评估新方法,并基于电波传播场强计算理论,推导出此方法的数学模型。在多径确定方面,将场点周围可视区波束交叉空间内的地物划定为对场点场强有贡献的有效地物,利用激光测距获取地物特征点并对有效地物边界建模,在此基础上,根据射线追踪理论在有效地物边界上寻找有效多径来波;在场强计算方面,对预测区域划分可视区后,进一步将可视区划分为若干个直达波一致区,在借助一定测量手段获得各直达波一致区基准场并根据射线追踪法确定有效多径的基础上,利用测得的基准场推演计算某场点直达波与多径来波,根据数学模型计算所有来波信号在场点的叠加总场,综合各可视区场点场强预测结果得到预测区域的电磁态势分布。
  基于上述电磁态势评估方法,针对实际山地与建筑区场景进行电磁态势预测,通过将实测与预测结果的对比分析,验证了本文提出的电磁态势评估方法的准确性,该方法在实施过程中的高效性和简便性使其在电磁态势评估中具有较高的工程实用性。
  本文提出的电磁态势评估方法易于推广和实施,具有较高的预测效率与精确度,对于实际工程中电磁态势评估有很大的参考价值,对于电磁环境监测、未来5G移动通信系统网络规划与优化、电磁干扰源追踪定位等应用具有重要意义。
[硕士论文] 杨少飞
物理学 西安电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:随着航天航空技术的跨越式发展,高超声速飞行器的速度不断提高,可以达到十几甚至几十马赫,此时飞行器与周围空气剧烈摩擦,气体温度及压强急剧升高,进而发生局部电离,最终形成一层包覆飞行器的高超声速绕流流场。绕流流场具有等离子体特征,因而又被称为等离子体鞘套。等离子体鞘套严重影响光/电磁波的传输特性,其主要表现为激波、边界层以及鞘套内部湍流结构对光/电磁波的衰减、折射以及散射等,这将对飞行器的天地无线通讯系统造成恶劣影响。本论文针对等离子体鞘套湍流结构造成的光/电磁波随机起伏问题,从等离子体鞘套湍流基本理论,等离子体鞘套湍流中高斯波束的传输特性,等离子体鞘套湍流相位屏模拟以及等离子体鞘套湍流对光通信性能的影响四个方面开展等离子体鞘套湍流中光/电磁波的传输特性研究。论文主要工作包括:
  1.等离子体鞘套湍流的基本概念、基本参数以及研究方法。等离子体鞘套湍流是一种典型的随机介质,光/电磁波传输过程中振幅和相位随机起伏,只能借助经典的随机介质波传播理论开展相关研究。本文在高超声速湍流分形度量实验结果的基础上,结合经典湍流功率谱模型,推导等离子体鞘套湍流的标度因子和频谱指数,建立了等离子体鞘套湍流功率谱。结果表明:等离子体鞘套湍流折射率起伏功率谱满足4/5标度律,且三维频谱指数为19/5。
  2.基于随机介质中高斯波束的传输理论,利用等离子体鞘套湍流功率谱,推导等离子体鞘套湍流中高斯波束的二阶矩,并据此计算等离子体鞘套湍流中高斯波束的平均强度、波束展宽以及到达角起伏和波束漂移,分析等离子体鞘套湍流中高斯波束的传输特性。结果表明:折射率起伏方差越大,等离子体鞘套湍流对波场特性的影响越剧烈;等离子体鞘套湍流的外尺度越大,对波场特性的影响越弱。
  3.基于带限分形函数和等离子体鞘套湍流功率谱模型,建立等离子体鞘套湍流分形相位屏模型,分析等离子体鞘套湍流结构参数对电磁波衍射强度分布的影响。最后依据距离-多普勒成像算法,仿真分析了等离子体鞘套湍流对高超声速飞行器机载合成孔径雷达成像的影响。结果表明:等离子体鞘套湍流造成的回波相位失真,引起成像结果分辨率明显降低,目标无法完全聚焦。
  4.为了提高高超声速飞行器通信链路性能,将飞行器通信频率提高到光波段,介绍自由空间光通信系统基本理论和副载波强度技术,推导等离子体鞘套湍流中光波的闪烁指数,并在此基础上对等离子体鞘套湍流影响下的自由空间光通信系统误码率进行仿真计算。结果表明:随着折射率起伏方差的增大,误码率增大;随着外尺度的增加,误码率下降。
[硕士论文] 汪洁
信息与通信工程 南京信息工程大学 2017(学位年度)
摘要:近年来,随着微波毫米波技术的发展和应用,低频段的频率利用率越来越高,频率复用程度也越来越严重,低频段频率资源越发紧张。因而,科研人员开始关注更高频率电磁波的应用和研究,其代表是太赫兹波段电磁波(THz波)[1-5]。然而,在太赫兹以及更高频率电磁波应用中,电磁波在大气中传输特性是电磁波频段选择和设备参数分配的重要理论和应用依据。因此,开展太赫兹波大气传输衰减特性研究具有较高的理论和应用价值。本文主要研究了氧气、水蒸气、雾、沙尘对太赫兹波的传输特性的影响,主要内容和结果如下:
  基于MPM93模型,研究大气氧气、水蒸气分子的连续吸收和谱吸收特性,分析了水平、倾斜、垂直路径的两点之间的太赫兹波的衰减。结果表明:大气中水蒸气对于太赫兹波的衰减作用远大于氧气;由于底层大气的气密度较大,在不同传输路径上底层大气对太赫兹波传输衰减作用大于中高层大气的衰减作用。
  研究分析复杂气象条件下的雾、沙尘对太赫兹波的吸收情况。得到了雾的能见度与太赫兹波的传输衰减关系。分析了不同种类沙尘在400GHz以下的太赫兹波传输衰减。
  基于MATLAB软件平台,研发了面向用户的可视化太赫兹波传输衰减计算软件。设计了可模拟不同湿度和云雾气象条件的实验系统,进行了90-106GHz传输衰减实验。结果表明在94GHz窗口内的衰减较小,符合理论计算结果。
[硕士论文] 张志斌
物理学 西安电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:分层粗糙面电磁(光)散射研究在很多方面有重要的意义,相较于单层粗糙面的散射,研究重点与难点体现在分层粗糙面间的相互耦合作用。本文针对分层粗糙面的电磁散射展开研究,论文的主要贡献如下:
  1、首先在物理光学的基础上,阐释了迭代物理光学方法在分层粗糙面中的迭代过程,并推导了用于计算一维分层粗糙面电磁散射的相关公式。将迭代物理光学方法应用于一维高斯分层粗糙面的电磁散射建模研究中,分别计算分析了粗糙面的粗糙度,粗糙面间的平均间距以及各层区域的介电常数变化对双站雷达散射系数的影响。同时,通过与矩量法仿真结果比较讨论了迭代物理光学方法在油膜覆盖海面散射建模中的适用性。
  2、接着将一维分层粗糙面中迭代物理光学方法推广到二维分层问题中,比照一维中的迭代物理光学方法,给出了二维粗糙面的核心计算式。并且分别将分层粗糙面模型退化为两层平滑分界面模型、上层粗糙与下层平滑模型,以及上下层均为粗糙界面的模型,计算分析了各参数对其散射结果的影响。
  3、由于迭代物理光学方法计算复杂度较高,对于计算效率带来了严重的阻滞。对于频率比较高的情况,计算效率无法满足基本要求。由于科研期间参与的项目涉及到太赫兹频段分层粗糙面的散射建模,考虑到迭代物理光学方法的计算效率受限,故本文最后针对太赫兹频段下分层粗糙面散射建模采用了修正反射系数的方法。针对有耗介质情形,讨论了复数折射角的相关问题,利用该方法计算分析了在太赫兹频段的各类特征量对雷达散射系数的影响。
[硕士论文] 张宗堂
无线电物理 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:随着大数据时代的到来以及物联网的快速发展,人们对无线通信的速率需求迅猛提升。为了提升无线通信的速率,在过去几十年里,极化复用、正交频分复用等复用技术被提出并日趋成熟,如何进一步提升频谱利用率是人们目前迫切希望解决的问题。而基于轨道角动量复用的涡旋电磁波可以提高频谱利用率,增加信道容量,因此成为电磁领域和通信领域的一个研究热点。本论文以基于轨道角动量的涡旋电磁波为研究背景,主要对涡旋电磁波通信系统以及基于轨道角动量模式复用的涡旋电磁波天线进行了研究。本论文主要内容包括:
  首先,介绍了涡旋电磁波的研究背景、意义以及国内外研究现状,系统回顾了涡旋电磁波的发展过程,并且总结了本论文的主要工作、内容安排以及主要创新点。
  其次,对轨道角动量和涡旋电磁波的基础理论进行了归纳和总结,给出了其详细推导过程,重点解释了其物理意义。在这些工作的基础上,详细介绍了涡旋电磁波无线通信系统的各个组成部分,包括:涡旋电磁波的产生、传播以及接收解调。重点描述了涡旋电磁波的产生以及接收解调方法,并且对当前涡旋电磁波产生、传播以及接收解调中遇到的问题进行了分析。
  再次,从单模圆极化圆形贴片出发,本文提出了基于多种轨道角动量模式复用的多模圆极化涡旋电磁波贴片天线。该天线包括三个贴片:一个中心圆形贴片用来产生圆极化TM11模,两个短路环形贴片分别用来产生圆极化TM21模和TM31模。详细地对该天线进行了理论分析,给出了圆极化贴片天线电场数学表达式,并得出结论:对于TMnm模式的圆极化贴片天线,其可以产生n?1阶轨道角动量模式的涡旋电磁波,因此整个多模圆极化贴片天线可以同时产生三种轨道角动量模式,同时通过改变天线的极化状态还可以改变轨道角动量的模式。给出了所设计的多模圆极化涡旋电磁波天线的仿真以及实验结果,进一步验证了该天线的原理。
  然后,创新性地将全息人工阻抗表面用于涡旋电磁波的产生,本文设计了基于全息人工张量阻抗调制表面的全息涡旋电磁波天线,这是全息人工阻抗表面第一次用来控制轨道角动量。系统地介绍了微波全息以及全息人工阻抗表面的基本原理,给出了全息人工阻抗表面的设计流程,包括标量以及张量等效表面阻抗的提取、标量以及张量全息阻抗调制的过程等。同时,以携带l=1轨道角动量模式的涡旋电磁波的全息涡旋电磁波天线为例,详细给出了其设计流程以及仿真结果,分析其仿真结果可以得出结论:全息人工张量阻抗表面能够用来控制轨道角动量。
  最后,归纳总结了全文工作,并对下一步将要继续的研究工作进行了展望。
[硕士论文] 戚海员
物理学 西安电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:近年来,随着各国军事科技的发展,海洋资源的争夺愈发成为战略性的趋势。军事技术不仅包含核武器等硬实力装备的更新及研制,而且在海洋通信、水下探测以及航海航空等方面也有了迅猛的发展。在此背景下,本文重点研究了水下电磁波的传播与散射特性,选择在30Hz~300KHz频段范围内,对水下目标产生的感应磁场以及均匀半空间界面处磁偶极子的低频场特性进行研究,对存在内波的海况,分别从散射系数和多普勒谱的变化来观察它对海面电磁散射的影响。论文的主要工作如下:
  首先,从电磁波的基本物理特性出发,阐述了其在海水中的传播特性,包括一些基本电磁参数:感生电磁场、趋肤深度、场强衰减等。在两层海水分界面处研究了电导率分布及其透射特性。其次简要介绍了海水中内波的产生条件与运动特征。
  接着,考虑在低频电磁波照射条件下,水下导体目标产生的感应电磁场。从建立入射场模型开始,到研究感应磁场的变化特性,再评估目标表面感应电流的分布。对于由有耗和无耗介质组成的均匀半空间分界面,从推导Sommerfeld积分表达式开始,研究磁偶极子的近区低频场传播特性,并与NBS(National Bureau Standards)文献给出的结果作对比。
  最后研究了内波对海面电磁散射特性的影响,关于内波对散射系数和海面多普勒谱的影响国内外少有相关研究,作者以KdV方程为基础,建立孤立内波传播模型,结合双尺度方法的面元模型,考虑内波的存在对海面表面波谱的调制修正作用,计算内波的存在对海面电磁散射特性的影响,分析了不同海况、不同内波参数对海面散射系数和多普勒谱的影响。
  当然本文只是针对理想化的模型做了一些理论分析计算,而实际的辐射源和介质都是非常复杂的,为了与实际应用更接近,还有待对目标导体、分层界面、内波特性作进一步的研究,这样才能更好的应用到实战中。
[硕士论文] 王志军
物理学 西安电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:高超声速飞行器或再入航天器在临近空间飞行时,在飞行器外会形成等离子体鞘套,等离子体鞘套一方面会阻碍飞行器与地面的通信,即黑障问题,另一方面也会影响雷达对飞行器的探测,因此分析电磁波与等离子体鞘套之间的相互作用已经成为一大重要而紧迫的研究课题。电磁波与等离子体的相互作用非常复杂,且参数众多,整个过程会产生多种非线性效应,所以非线性效应的研究也是至关重要的。本文针对鞘套形成机理、流场仿真模拟、非线性效应对电磁波在等离子体鞘套中的传输和散射的影响等问题从四个方面展开研究。
  1.鞘套形成机理及流场仿真模拟。首先概述鞘套形成机理及仿真模型,推导其介电参数,建立高超声速飞行器的几何模型,完成对飞行器周围空间的网格剖分,通过分析等离子体鞘套的形成要素,合理设置满足高超声速流场的条件,求解流场控制方程组,得到飞行器周围鞘套流场分布,并进一步给出等离子体鞘套电子密度分布,为后续研究电磁波与等离子体鞘套的相互作用提供数据基础。计算结果与RAM-C的钝头锥对比后,量级几乎一致,同时结果表明,飞行器上部电子密度的量级比下部要高2个数量级以上,但鞘套厚度较薄,而下部的电子密度分布较为平缓。
  2.等离子鞘套中的非线性效应。基于热致非线性效应原理,推导热致非线性效应影响下的碰撞频率、非线性衰减常数以及介电常数,仿真比较线性与非线性衰减常数随频率的变化,并分析了碰撞频率与介电常数扰动随电场强度与频率的变化规律。结果表明,当入射波电场强度与等离子体特征场相比较大时,热致非线性效应不可忽略。通过对电极化强度项进行非线性推广,推导得到非线性衰减常数,仿真不同碰撞频率和电子密度下非线性衰减常数随频率的变化,并把结果与线性衰减常数作比较。结果表明,考虑非线性时衰减常数有所减小。
  3.基于三波互作用的非线性效应开展突破黑障的探索研究。根据电磁波在等离子体鞘套中的Ginzburg方程,数值求解得到了三种电磁波的磁场分布,仿真分析了该方法的可行性;比较了不同电子密度分布和信号频率下三波的磁场分布,分析不同参数对三波非线性作用的影响;依据RAM-C数据仿真不同空间高度处的三波磁场分布,分析了该方法的实际效果。结果表明,该方法具有实际应用的前景。
  4.非线性效应对等离子体鞘套包覆目标电磁散射特性的影响。基于计算涂覆目标RCS的FDTD、PO等方法,仿真不同鞘套参数下均匀磁化等离子体涂覆导体方柱、高超声速钝锥体飞行器和高超声速类HTV飞行器的双站RCS,分析热致非线性效应对目标RCS的影响。结果表明,当考虑热致非线性效应时,三类目标的RCS都有所减小,并且对于不同入射波频率下钝头锥的双站RCS结果,非线性情形的变化规律不同于线性情形。
[硕士论文] 刘超群
物理学 西安电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:由于矿石资源的日益匮乏,人类亟需寻找可代替的新能源。太阳能具有清洁环保且可再生等不可比拟的优势,深受人类的青睐,但在地球表面利用太阳能发电会受到天气,季节等不可控因素的制约,利用率不高。在太空建立太阳能电站可以规避这些因素的干扰,采集效率有显著提高。本文研究太阳能的传输载体高功率微波在电离层中传输所遇到的问题,针对电波传输效率、传输路径及波束汇聚情形进行分析仿真。论文主要工作如下:
  1.讨论各粒子在电离层中所占的比重并对电离层各类模型做对比分析,确定采用IRI2012国际电离层参考模型作为背景参数,利用此参考模型对电离层的基本参数进行仿真,给出相关物理量的仿真结果及分析。
  2.利用射线追踪技术对电波在电离层中的传输轨迹进行分析。给出了电波在电离层传播的二维射线追踪方程,对方程中的相折射指数进行分析,并利用龙格库塔算法,采用变步长技术获得传输路径,对不同纬度、不同频率的电波从太空入射到电离层中的传输路径进行了讨论。仿真结果表明,低频率电波的传输轨迹受电离层影响较大,电波在不同背景的电离层中传输路径也会有差别。同时,电离层对于空间太阳能电站窗口频率的电波传输轨迹影响很小。
  3.在电波的热致非线性效应基础上对电波在电离层中的传输损耗进行分析。在低电离层,中性粒子占据很大比重,以电子碰撞作用为主,而高电离层中离子占据重要地位,和离子间的作用远远大于与中性分子作用,且加上地磁场中力的作用,导致带电粒子沿着地磁场方向移动,因此必须考虑受到地磁场影响的热传导、扩散等输运过程,故在高、低电离层分别建立了不同的模型,研究了不同频率和不同功率的电波从太空入射至电离层中的传输损耗。电波在低电离层传输损耗主要集中在90-110km高度范围,并且在低电离层中电波传输损耗大于高电离层。此外,空间太阳能电站电波频率为2.45GHz的电波损耗大于5.8GHz频率的电波。
  4.在热致非线性效应的基础上,详细阐述了聚焦散焦效应理论,数值推导了抛物波束在电离层中数值方程,并对聚焦散焦参数,散焦角等进行讨论。考虑电波对电离层加热效应,数值模拟了散焦角、波束半径在低电离层中的变化并讨论其影响因素。仿真结果表明,电波频率越小功率越大,散焦效应越明显。空间太阳能电站窗口频率的电波受散焦效应影响很小。
[硕士论文] 刘顺亮
物理学 西安电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:电场传感器的校准、研发和测试离不开均匀电场,所以均匀电场产生方法的研究对电场传感器的设计具有重要的理论意义和应用价值。
  本文基于1MHz~18GHz宽频带电场传感器校准需要,结合电磁波传输理论,利用HFSS建立平行双线和双脊喇叭天线产生均匀电场的仿真模型,并进行了仿真分析,获得了1MHz~18GHz频段内电场分布特性。
  为了获得良好的电场分布均匀度,通过优化分析,选取长750mm、线经9mm和间距92.75mm的平行双线做为产生均匀电场的发射源,并仿真了平行双线在1MHz、10MHz、100MHz、500MHz频点的电场分布。研究角锥喇叭和双脊喇叭天线在宽频带内的电场分布特性,证明两种喇叭天线产生均匀电场的可行性。仿真分析双脊喇叭天线在1.8GHz、5GHz、16GHz频点电场分布情况,获得电场分布均匀的区域。
  搭建实验测试平台,使用标准电场传感器EP183进行实测。仿真和实测结果表明,这三种天线能够在1MHz~18GHz频段内产生可用于电场传感器校准的均匀电场。
[博士论文] 李琛璐
电磁场与微波技术 安徽大学 2017(学位年度)
摘要:目标电磁散射特性的研究对于雷达系统的设计、目标隐身与反隐身技术研究、基于雷达回波信号的目标识别研究等应用都有极其重要的价值。目标电磁散射特性的数据固然可以通过测量获取,但是要求具备昂贵的测量设备、理想的测量环境,需要耗费大量的人力、物力和财力,还需要较长的测试周期,成本代价极高。相比之下,通过理论建模和数值模拟的途径来分析目标电磁散射特性则更加便捷,成本更低。因此如何快速高精度分析电大目标电磁散射问题是计算电磁学一直以来的研究热点之一。在此背景下,紧密围绕提高计算精度和计算效率这两个关键问题,对基于矩量法的多层特征基函数法及其改进技术展开研究,并将其应用到电磁散射问题的分析中。本研究分为两个部分:
  第一部分针对特征基函数法在分析电大导体目标电磁散射特性时,为了控制子域的个数,每个子域中未知量数目就不得不增加,从而使得特征基函数生成过程非常耗时的问题,首先将基于Foldy-Lax多径散射方程的单层特征基函数法扩展为多层特征基函数法,以此来提高未知量的压缩率;同时采用自适应交叉近似法对每一层的阻抗矩阵进行压缩填充,加速缩减矩阵的构造。数值结果显示该方法可以有效提高计算效率降低内存需求。其次,提出了一种快速精确的基于多层特征基函数法的混合方法。在混合方法中,提出一种修正的快速偶极子法来改善传统快速偶极子法的计算效率和计算精度;随后将修正的快速偶极子法与自适应交叉近似法及等效偶极子法相结合来提高多层特征基函数法的计算效率。应用修正的快速偶极子法后,次要特征基函数的生成和缩减矩阵的构造更加高效,结果也更加精确。当远场组判距条件变得苛刻以此来获得更精确的结果时,由于中间场的阻抗矩阵运用了自适应交叉近似法进行压缩,使得整个混合方法计算效率得以进一步提高,内存需求进一步减少。数值结果不仅证明修正的快速偶极子法可以有效减少计算时间和减小相对误差,还证明了在给定的相同远场组判距条件下,混合方法可以提高计算效率降低内存需求。
  第二部分针对特征基函数法在多激励入射导体目标电磁散射问题分析中的应用,提出一种融合特征基函数法。首先,新定义一种改进的主要特征基函数,将周围子域的影响考虑进每个子域的主要特征基函数中,丢弃一阶次要特征基的同时采用高阶特征基来提高最终结果的精确度。因为每一个特征基函数中都考虑了子域与子域之间的互耦效应,所以只需要极少数量的入射平面波就可以获得具有较高精度的结果,从而实现精度与效率的同步提高。
[硕士论文] 钱朝阳
测试计量技术及仪器 浙江理工大学 2017(学位年度)
摘要:光是一种电磁波,以麦克斯韦方程为基础的经典电磁场理论可以用来解决光的衍射、传输等问题。虽然目前来说,光场标量衍射理论对于大多数光学传输的实际问题仍然有效,但是伴随着近场理论光学的逐渐完善与发展,标量近似的光学理论本身的不自洽矛盾越来越突出,尤其是近年来,随着半导体二极管激光器、微腔激光器、微光学、近场光学和光子晶体等的迅速发展,实际工作中也需要用较为严格的矢量理论来处理一些应用领域的近场光场特性。本文主要研究与传统标量场区别的矢量光场,即在光场的横截面的偏振态分布是不一致的光场。本文的研究方法是基于电磁波的矢量衍射理论。首先通过矢量衍射理论的角谱分析法和近似法分析了艾里光束的矢量结构特征和偏振态沿径向变化的圆柱型矢量光场在自由空间的传输特性,通过理论计算以及数值计算给出了整个衍射空间的精确矢量解,并且分别分析了其在自由空间的传输特性。主要研究内容分为以下三个部分进行说明:
  1.利用矢量角谱法和近似法推导、分析电磁场不同分量传输的解析表达式。以Airy光束(艾里光束)为研究对象,研究艾里光束的矢量结构特征,发现艾里光束的横向能量流密度与纵向能量流密度之比随着传播距离的增大而增大的。在菲涅尔衍射区域,TM(横磁模)分量的能量流密度与TE(横电模)分量能量流的比值随着传播距离的增加而逐渐增加,这个比值由λ和横向分量尺寸大小x0决定。该光场的矢量结构特征从艾里光束的传播动力学的物理图像给予进一步进行阐述和分析,这些结果可以为艾里光束在相应领域的潜在应用提供理论依据和基础,如纳米光子学、紧聚焦光场等。
  2.基于角谱法分析了偏振态沿径向变化的圆柱矢量光场的近场特性。其倏逝波和行波的矢量结构提供了一个直观的图像来描述该矢量光场在近场的特征。其中详细分析了纵向分量对总光场分布的影响以及对光自旋角动量(SAM)的密度影响。经过数值计算发现,具有不同偏振拓扑核的矢量光场的倏逝波和行波的光场分布结构是不同的,并且与光场横截面的初始偏振态分布密切相关。纵向分量的存在,对光学自旋角动量密度的影响,导致了自旋角动量密度的一个矢量分布结构。该研究成果为如何通过在光场横截面上选择适当的偏振态分布,在近场空间操纵矢量光场的光场分布和角动量密度提供非常有用的信息。
  3.利用USB3.0外设控制器设计了一种图像采集设备的固件,开发光场的数据采集、成像设备,期望最终实现能够利用矢量光束进行数据采集和成像,进一步研究矢量光束的潜在应用。
[硕士论文] 杨兴宇
电子科学与技术 哈尔滨理工大学 2017(学位年度)
摘要:太赫兹(THz)超常媒质电磁诱导透明(EIT)是一种在THz波段用人造周期性结构单元形成的电磁现象,其在THz传输的频域谱上具有一个典型的透明窗口,对于慢光、光存储以及光传感的实现具有很重要的意义。然而,周期性结构单元形状和尺寸的固定使得EIT的透明窗口相对固定,无法进行动态调制,大大制约了器件功能的实现。本文针对目前国内外的一些可调谐EIT实现方式不易、调制深度不足的特点,利用石墨烯在不同外加偏压下具有变化较大的电导率的属性,提出了两种基于石墨烯的可调谐EIT超常媒质结构。
  本研究主要内容包括:⑴提出一种金-石墨烯交叉型EIT超常媒质结构,该结构由内部的金开口环结构和外部的闭合石墨烯环结构相互嵌套而成。为了分析EIT的形成机理,采用数值仿真软件分别对单独的金结构和石墨烯结构进行谐振特性研究,对形成的EIT谐振谷和透明峰处的表面电流进行监测,仿真结果表明该结构具有明-暗模式耦合的特点。通过改变石墨烯的费米能级,金-石墨烯结构呈现出不同的EIT响应特点,并对EIT的可调谐特性进行分析,计算透明窗口处的调制深度以及相应的群延迟,计算结果表明,该结构能实现幅值调制和慢光调制。⑵为了获得EIT固定频率处透明峰的动态调制以及更大的调制深度,提出一种石墨烯-石墨烯超常媒质结构,该结构由左侧的石墨烯短线条和右侧的双闭合石墨烯环组合而成。采用数值仿真软件优化左右石墨烯间的相对距离,在此基础上,分析EIT的形成机理并证明了该结构明-明模式耦合的特点。通过同时改变左右两侧石墨烯结构的费米能级,石墨烯-石墨烯结构呈现出不同的EIT响应特点,并对EIT传输与吸收的可调谐特性进行分析,计算透明窗口处的调制深度以及群延迟的大小。计算结果表明,该结构能实现在固定频率处透明峰的幅值调制和慢光调制,并具有更大的调制深度。⑶提出一种二粒子耦合模型并与仿真得到的EIT曲线进行拟合,拟合曲线与数值仿真曲线匹配度良好。拟合结果表明二粒子耦合模型及耦合模式理论分析的准确性。
[博士论文] 刘珂鑫
光通信技术 浙江大学 2016(学位年度)
摘要:电磁波传播通常是互易的。但是在磁光介质和旋磁介质中,电磁波的传播可以是非互易的。这个非互易性是通信系统中一些重要器件的基础,例如隔离器和环形器。最近,人们发现在磁光介质和旋磁介质的表面,电磁波甚至可以单向地传播。这个独特的性质提供给一个独特的系统去研究最基本的电磁波传播与耦合的问题。这篇博士论文的目标就是揭示非互易电磁表面波的传播与耦合的基本性质,并用这些性质去设计新器件。
  在第一章简要介绍了背景。然后,在第二章给出了电磁波非互易性的概念,讨论了最主要发展的计算方法,针对旋磁光子晶体的平面波展开法,并介绍了能带拓扑数—陈省身数,同时介绍了微波旋磁介质铁氧体的材料模型。第三章,首次证明了,在外加磁场下,在空气中的旋磁光子晶体平板的边缘可以支持单向电磁波。此外加磁场打破了结构的时间反演对称性,打开原来的简并点,创造了新的禁带。由于水平向的禁带效应及垂直向的介电常数差,使得单向电磁波可以束缚在结构边缘。然后,研究了两个单向波导间的耦合。发现当两波导中的模式传播方向相同时,他们间可存在正向耦合。当两波导中的模式传播方向相反时,他们间可以在传播常数很接近的窄带宽里发生反向耦合。这个反向耦合的效应与“trapped rainbow”概念相关。
  在第四章,讨论了“trapped rainbow”的概念。它试图将不同频率的电磁波永久地停驻在不同位置。前人提出的结构,由于前向模式和后向模式间的反向耦合,所有的入射波都被反射了,而非停驻在特定位置,它们均不能真正实现“trapped rainbow”效应。提出采用梯度磁场下非互易波导来克服这个根本性难点,在微波段实现真正的“trappedrainbow”式电磁波存储。通过色散关系揭示了其背后的物理原理,并通过频域和时域的仿真证明了电磁波停驻的效应,并且发现在临界位置附件,电磁场得到增强,电磁波脉冲也可以停驻较长时间。而且这些效应在非互易波导中对障碍物具有鲁棒性。
  在第五章,首次提出单向腔的概念。在太赫兹频段,单向腔可由表面磁等离子体构成。发现外加磁场可以使得腔中的顺时针模式和逆时针模式完全分开在两个不同的频率范围。这为在单向波的方向和频率范围上提供了更多的选择。也对单向腔与波导间的耦合进行了研究,并基于此设计了一个四端口环形器。
  最后,在第六章,做出结论,并讨论了未来研究的方向。
[博士论文] 屠惠琳
无线电物理 电子科技大学 2016(学位年度)
摘要:鉴于时间反演电磁学在超宽带电磁波通信、雷达探测与成像等领域中具有广阔的应用前景,因此,基于时间反演电磁波的超分辨聚焦特性的研究受到广泛关注。为满足无线通信系统在大容量、高速率、小型化等方面日益增长的需求,在受限空间内实现信道独立的多天线系统显得极其重要,而用于实现时间反演超分辨的特殊媒介的设计是电磁波的超分辨传输技术的关键。本论文以介质媒介与金属媒介作为研究对象,对时间反演电磁波的传播特性进行了深入研究。利用不同材质的圆柱散射体构建二维以及三维的亚波长阵列结构,研究了其对目标源的散射特性的影响。综合分析结果,提出了三种亚波长天线阵列,实现了时间反演电磁波的超分辨传输,旨在为基于时间反演技术的多天线系统的设计提供指导作用,本论文的主要研究内容概括如下:
  第一章,介绍了时间反演技术的研究背景和意义,简单阐述了近年来时间反演聚焦理论的发展,回顾了超分辨成像技术的研究现状以及各类亚波长天线阵列的研究进展。
  第二章,深入研究了时间反演电磁波在二维媒介中的传播特性。利用介质圆柱散射体构建二维媒介,结合时间反演技术,理论分析和数值验证给出了在介质圆柱散射体构建的周期结构中,时间反演聚焦成像可以实现的分辨率极限值,该工作丰富了基于介质媒介的时间反演成像的理论,为用于高分辨成像的介质媒介结构的设计提供了理论指导。
  第三章,主要对时间反演电磁波在金属媒介中的传播特性展开了研究。首先,通过分析金属丝阵列对宽带信号的散射特性,首次实现了一种由单频信号激励,在单目标以及多目标源超分辨聚焦的亚波长天线阵列,为多频带天线阵的超分辨聚焦特性的研究提供了重要的指导作用;其次,从本征模式的分析出发,结合时间反演技术,实现了目标天线对宽带信号的1/35λ的超分辨传输,建立了本征模式与亚波长天线阵列的超分辨性能之间的联系;最后,通过参数化分析金属丝谐振单元间距、长度以及谐振结构分布对目标天线的超分辨传输性能的影响,得到了谐振长度决定目标天线具有超分辨性能的频带范围的结论,对谐振结构的可建模可量化设计具有重要的指导意义。
  第四章,主要开展了基于时间反演电磁波的亚波长天线阵列的应用基础研究。首先,提出了一种由不同长度的谐振单元构成的单元间距为λ/40的二单元亚波长天线阵列,仿真及实验测试结果表明,结合时间反演技术,该阵列单元可同时实现不同频段内信号的超分辨传输,有效的提高了传输系统对抗频率选择性衰落的性能;此外,在谐振结构的本征模式的研究基础上,提出了非对称与对称的亚波长天线阵列,仿真和实验结果表明,分别用不同位置处的天线单元作为谐振结构的激励源时,可实现空间分集,结合时间反演技术,在各天线单元处实现了宽带电磁波信号的1/40λ的超分辨传输,同时增强了干扰源抑制能力。亚波长天线阵列的应用研究对端口密集分布的多输入多输出通信系统的实现具有重要意义。
  第五章归纳总结了本论文的主要工作,对时间反演技术以及亚波长天线阵列的下一步的研究应用方向进行了展望。
[博士论文] 孟德佳
光学工程 华中科技大学 2016(学位年度)
摘要:超材料是一种人工复合结构或者材料,它由亚波长尺寸的单元结构周期排列而成,具备自然界材料所不具备的电磁特性。超材料的频谱响应主要由单元结构的形状和尺寸决定,因此改变超材料单元的结构参数可以实现对电磁波远场传输频谱的改变。此外,超材料可以将入射电磁(光)场聚集到一个狭小空间范围内,使得电磁(光)场在近场产生局域场增强效应,并且在谐振频率处强度达到最大。
  本论文研究了可控超材料的结构、电磁波远场传输特性和近场局域场增强现象。超材料的单元结构为外场可调控功能介质-金属图形的混合结构,通过外场激励改变功能介质的性质实现对超材料单元结构参数的调控,进而达到对混合超材料的远场传输频谱、近场强度与分布调控的目的,由于调控介质的尺寸限制仅在微波段或太赫兹波段验证了器件的调控特性。具体研究内容与发现如下:
  1.模拟电磁感应透明的微波、太赫兹波超材料。(1)设计了嵌套开口谐振环结构,利用内开口环与外开口环谐振模式的相干相消,模拟了电磁感应透明现象,该结构在在微波波段具有偏振非敏感和高 Q值的特点。(2)将 PIN二极管与金属短线阵列集成,利用偏置电压改变 PIN二极管的开关状态来控制金属短线之间模式的耦合效率,在微波波段实现了电磁感应透明现象的高速连续电调控,并且可以获得较高的调制深度(80%以上)和较快的开关响应(10-9 s);另外,(3)二氧化钒(VO2)在外场激励下会发生金属绝缘相变(MIT),采用 VO2作为调控介质与金属短线结构组合成为混合超材料,通过温度激发VO2的相变改变金属短线结构之间模式的耦合效率,在太赫兹波段验证了电磁感应透明现象的温度调控。
  2.太赫兹波超材料可开关吸收器。传统的超材料吸收器为金属薄膜-介质-谐振单元三层结构,用VO2薄膜替换吸收器结构的底层金属薄膜,利用VO2的MIT相变改变吸收器介质层上下两层结构之间的谐振特性,进而实现对超材料吸收器的开关控制。VO2相变前后吸收器的开关比可以达到98.3%;同时,十字结构的谐振单元使器件具备偏振非敏感和大角度入射的特性。
  3.太赫兹波超材料器及其远场传输频谱、近场分布调控。超材料金属谐振单元为开口谐振环、条状VO2被置于开口谐振环的开口边缘,VO2的MIT相变可以改变开口谐振环的等效电容,根据LC谐振计算公式,超材料的谐振频率随着电容的改变而发生变化,因此条状VO2和开口谐振环构成的混合超材料具备双带调制功能。在近场研究方面,局域场增强效应发生在开口谐振环开口附近,VO2的MIT相变可以对局域电场的强度和空间尺度实现调控;同时这种设计也大大降低了增强的局域电场击穿功能材料的风险,提高了器件的稳定性。
[硕士论文] 吴阳
光学工程 电子科技大学 2016(学位年度)
摘要:表面等离子体激元(SPPs)是金属表面上电子与电磁场集体振荡形成的一种表面电磁波。由于SPPs具有突破传统衍射极限和局域场增强的特性,它已经在纳米器件、数据存储、太阳能电池、化学与生物传感等领域表现出了广泛的应用前景。带有亚波长小孔的金属薄膜在一定条件下会出现异常光学穿透(EOT)现象,该现象一经发现便引起了研究者的广泛关注,虽然对其产生的物理本质存在争议,但普遍认为与SPPs量子共振密切相关。为进一步探讨和了解 EOT与SPPs共振之间的联系,本文在前人的研究之上,设计了几种不同的周期性结构,通过时域有限差分(FDTD)的数值模拟方法,研究了它们异常穿透的电磁场分布和透射光谱,详细分析了其产生的物理机制。
  本研究主要内容包括:⑴在周期性狭缝结构的基础上,根据其电场分布,我们在透射光的出射表面嵌入矩形凹槽,并通过二维数值模拟具体研究了结构的透射特性。通过改变凹槽的大小、位置、以及结构的周期等参数,研究了透射光谱的变化规律以及在共振时的电磁场分布图,并从理论上分析了共振最大透射率变化的原因,也进一步验证了SPPs共振在增强透射时所起的重要作用。⑵研究了嵌有凹槽的周期性方形小孔结构的异常穿透现象。与周期性狭缝相比,周期性小孔结构类似于波导,它具有截止波长。将凹槽嵌入前后透射光谱进行对比,发现凹槽的嵌入会降低光波的透射率。在保持小孔结构不变情况下,改变凹槽的长度、宽度、深度、距离小孔的位置,以及结构周期和入射光的偏振方向,具体探究了透射光谱的变化特性。⑶基于金属周期性结构的增强透射,将周期性圆柱小孔结构和与其互补的金属圆柱形阵列结构相结合起来,对比研究了它们在光波垂直入射时透射特性。与周期性小孔增强透射相反的是,柱形阵列的透射光谱表明在特定波长会出现截止透射。在改变圆柱的半径、厚度和结构的周期时发现,它们的透射谱线会出现相同方向的偏移。同时,根据它们变化的不同,分析了SPPs和局域表面等离子体(LSPs)在其中作用的不同。最后,将该互补结构进行了综合,研究了混合结构的透射特性。
[硕士论文] 靳刚
光学 山西大学 2016(学位年度)
摘要:随着量子信息的快速发展,光子作为量子系统的代表,几乎参与所有的量子信息处理过程,近年来被广泛关注。作为量子信息的载体,光子可以用于量子计算,远程量子网络的飞行量子比特,混合量子系统的媒介等。近几年单光子源以其不可克隆的原理被认为是量子信息的关键部分被人们广泛研究。目前产生单光子源有多种方案,包括单原子,单离子,单分子,单个NV色心,量子点,自发参量下转换,和基于原子系综的四波混频过程等。此外,采用辐射源与光学腔耦合方式可以增加单光子的产出效率。
  基于中性原子的单光子源具有辐射光子的谱宽窄,易于存储介质的原子直接耦合等特点,对构建量子网络有一定的潜在价值。为了获得基于单原子的触发式单光子源,首先在磁光阱(MOT)中冷却并俘获单个原子,并将其转移到保守势的微型偶极阱中,进行特定的量子态制备,然后采用自制的纳秒脉冲激光系统对近似二能级系统的中性原子周期性激发,短时间被激发至上能态的原子由于自发辐射可以向4π立体角内辐射荧光,采用高数值孔径的复合透镜组可以有效收集光子并用准直透镜将荧光聚焦耦合至光纤进行符合计数探测或后续量子信息处理过程。
  本文工作主要包括以下几部分:
  1.介绍单光子源的意义和研究进展,概述光和原子耦合的基本理论,表征脉冲光和原子相互作用过程激发光源需要满足的条件,包括足够高的峰值光强,频率共振,脉冲宽度小于上能态寿命等。
  2.针对z切割的电光强度调制器(EOIM)的不稳定性工作,实验上通过精密控温技术抑制了脉冲光OFF态光功率起伏,控温之后,功率起伏由6.35μW/h下降至0.42μW/h,通过匹配输入光偏振和寻找最佳控温工作点还可以大幅度提高脉冲光的ON/OFF比,相比于典型的出厂值20dB,静态ON/OFF比最高可达41dB,这对于提高单光子源的品质有至关重要的作用,高ON/OFF比脉冲光可以避免OFF态对于原子的多次激发。
  3.采用光学注入锁定的方式增加脉冲光的功率,峰值功率最大可达50mW,注入功率阈值为百微瓦量级,脉冲光OFF态注入时被动激光器自由运转频率与原子跃迁线蓝失谐32.6GHz。由注入锁定的动力学过程和实验参数推知最少19ps即可建立锁定状态。
  4.采用高ON/OFF比脉冲光注入半导体激光器实现的高功率激发光源对单个中性原子周期激发实现了触发式单光子源,其双光子概率小于4.2%。实际可测到的单光子平均为每秒636个。
  实现的触发式单光子源对于验证光子全同性,真随机数产生有重要的应用前景,确定性单光子可以经过信息编码之后存储于冷原子可演示量子中继等物理前沿问题。
[硕士论文] 张红
凝聚态物理 山西大学 2016(学位年度)
摘要:塔尔博特自成像现象自从1836年被发现一直到现在,由于其在成像技术领域的广泛应用引起了人们的研究兴趣,从而使得其在光学领域中迅速的发展。光学中,单色光的空间和时间的相干性好,在单色平行光照射下的光栅或者周期性的物体,由于菲涅耳衍射会在距离光栅或者周期性结构的物体特定距离的平面上出现自成像,这种自成像现象就被称为塔尔博特效应。
  本文主要是以标准的非线性薛定谔方程为理论研究模型,首先,采用解析计算的方法—达布变换法得到其孤子解,之后,给出其位于连续波背景上的孤子解:Akhmediev呼吸子、Kuznetsov-Ma孤子以及Peregrine孤子解。考虑到这三个解的演化所展现出来的不同的局域特征,主要通过数值模拟的方法研究了 Akhmediev呼吸子解作为初始输入态在非线性介质和线性介质中的演化,结果表明:在塔尔博特长度的位置可以观察到自成像现象,在塔尔博特长度一半的位置上可以观察到具有半周期位移的自成像现象。其次,基于 Akhmediev呼吸子解这种非线性调制连续波,构造了一个在实验上比较容易实现的线性调制连续波,并且研究了将其作为初始输入在非线性以及线性介质中演化,结果表明:通过适当的调节频率调制因子,同样可以实现塔尔博特自成像现象。最后,以耦合的非线性薛定谔方程为理论的研究模型,同样采用数值模拟的方法研究线性调制连续波在非线性的PT对称耦合光波导中传播所观察到的塔尔博特自成像现象。并将其和在线性的PT对称光晶格中所形成的塔尔博特自成像现象进行对比,发现有很大的不同。
[博士论文] 张青洪
电磁场与微波技术 西南交通大学 2016(学位年度)
摘要:近年来,复杂电磁环境中电波传播问题的研究已成为国内外学者关注的热点问题。构建复杂环境要素的可计算模型,并实现大区域复杂环境中电磁分布特性的快速仿真和分析,能为无线通信、电磁监控、电子对抗等实际应用提供关键的数值模拟技术和数据支撑,具有非常重要的军用以及民用价值。
  与已有的电波传播模型相比,抛物方程本身就能体现电波传播的折射与绕射效应,可以充分考虑不规则地表结构、非均匀媒质等复杂环境对电波传播的影响,且其SSFT解法在传播方向的网格步长几乎不受波长限制,因此非常适合于大区域复杂环境中电磁覆盖特性预测。本文基于抛物方程,对森林、粗糙海面等复杂地理环境的电磁建模方法以及抛物方程的高效网格模型、高效数值解法等进行了深入研究,这对于快速高效地求解大区域复杂环境中的电波传播问题具有重要意义。本文主要研究工作如下:
  第一,基于抛物方程对森林、陡峭障碍物、粗糙海面等复杂地理环境的电磁建模方法展开了研究。根据森林环境的物理组成,应用两相混合物折射方法改进了森林的等效抛物方程模型,与文献实验结果的对比验证了该模型的有效性,在此基础上,讨论了森林的植物体积含量、重量含水量以及自由水盐度对电波传播的影响。为了计算陡峭障碍物的后向反射波,研究了双向抛物方程方法,并采用射线跟踪法对其正确性进行了验证,在此基础上,提出了双向抛物方程的并行方法,并探讨了其并行性能,结果表明,该并行方法大大提高了双向抛物方程对障碍物间多次反射波的求解速度;针对室内垂直墙面、家具等对电磁波后向反射较大的问题,提出了Pade型双向抛物方程模型,并应用该模型模拟了存在二栋双层建筑物时室内的电磁分布特性。另外,在考虑海浪阴影效应的情况下,构建了粗糙海面的等效抛物方程模型,实例仿真了电磁波在粗糙海面环境中的传播特性,结果表明,该模型能够体现海浪阴影效应以及不同海面风速对电波传播的影响。
  第二,提出了抛物方程的非均匀网格模型、多重非均匀网格模型以及亚网格模型等高效网格模型。首先,详细探讨了抛物方程水平网格步长的取值范围,并通过对传播空间的不同区域采用不同的网格划分,构建了抛物方程的非均匀网格模型,与双射线模型以及均匀细网格抛物方程的对比验证了该模型的正确性和高效性,同时,应用该模型模拟了三维复杂环境中的电磁覆盖特性,进一步证明了非均匀网格模型的优越性。在非均匀网格模型的基础上,结合坐标变换技术、网格插值技术等,提出了抛物方程的多重非均匀网格模型及其基于OpenMP的并行方法,并模拟了复杂环境中存在四个辐射源时的电磁分布特性,由结果可知,多重非均匀网格模型使得抛物方程能够对三维空间中的多辐射源电波传播问题进行求解,且其并行方法大大提高了多辐射源问题的求解速度。最后,针对大区域复杂环境中存在关键目标的电波传播问题,提出了抛物方程的亚网格模型,并详细阐述了亚网格模型的具体实现方案,通过与均匀细网格抛物方程进行对比,验证了亚网格模型的高效性,在此基础上,对大尺度海面环境中舰船区域的场分布进行了预测和分析。
  第三,为了提升抛物方程的求解速度,本文对抛物方程的高效数值解法展开了研究。基于镜像原理,提出了抛物方程SSFT解法的快速计算方法,与已有的奇偶分解法相比,抛物方程的求解速度得到了有效的提升。同时,研究了抛物方程的ADI解法,推导了自由空间以及边界上的场所满足的ADI差分格式,并基于OpenMP提出了抛物方程ADI解法的并行方法,通过对加速比、并行效率等的分析可知,并行方法大大加快了抛物方程ADI解法的计算速度。另外,为了高效求解大区域复杂环境中存在隧道等腔体环境的电波传播问题,提出了将抛物方程SSFT解法和ADI解法相结合的高效数值解法,并阐述了结合解法的具体实现方案,实例仿真表明,与ADI解法相比,结合解法极大地提高了抛物方程对该类问题的求解效率,在此基础上,采用该结合解法模拟和分析了大区域环境中隧道内部的电磁分布特性。
  第四,基于并行自适应结构网格应用支撑软件(JASMIN)框架研究了适用于高性能仿真平台的抛物方程并行计算方法,进一步提高了抛物方程的求解速度。通过将同一步进面划分成多个网格片,并分配到不同的处理器进行运算,实现了抛物方程FD解法的并行计算,与理论解的对比验证了并行方法及程序的正确性,同时通过实例分析了并行程序的并行性能,算例表明,抛物方程FD解法的求解效率得到了有效地提高,在此基础上,模拟了某一电信基站天线在包含9栋规则建筑物的城市小区环境中的电磁覆盖特性。针对大区域复杂环境中的电波传播问题,研究了抛物方程SSFT解法在JASMIN框架上的并行方法,并实现了相应的并行仿真程序,实例验证了并行方法及程序的正确性和高效性,同时,基于该并行程序,完成了典型综合三维大尺度场景的一体化建模,并对包含土壤、森林、大气波导等复杂环境因素的典型综合场景中的电波传播特性进行了预测和分析。
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