目标与环境电磁散射特性建模 理论、方法与实现 基础篇PDF电子书下载

绪论 1

参考文献 4

第1章 电磁理论及电磁散射基础 6

1.1麦克斯韦方程组 6

1.2本构关系式 8

1.3边界条件 11

1.3.1一般边界条件 11

1.3.2阻抗边界条件 12

1.4坡印廷矢量 12

1.5矢量位和标量位 14

1.6几个重要定理 15

1.6.1唯一性定理 15

1.6.2镜像法 15

1.6.3等效原理 16

1.6.4感应定理 17

1.6.5对偶定理 18

1.6.6互易定理 19

1.7雷达目标散射截面及其求解 20

1.7.1雷达散射截面的定义 21

1.7.2雷达散射的三个特征区域 22

1.7.3雷达目标散射问题的典型解 23

参考文献 25

第2章 电磁散射的解析方法 26

2.1分离变量法 26

2.1.1交变电磁场与波动方程 26

2.1.2规则坐标系下矢量波函数 27

2.2多层介质球的电磁散射 35

2.2.1均匀介质球电磁散射 35

2.2.2内部场和散射场的矢量球谐函数展开 36

2.2.3介质球电磁散射的角函数 36

2.2.4均匀球的散射场特性 37

2.2.5多层球的电磁散射 42

2.3多层介质柱的电磁散射 45

2.3.1均匀介质柱的电磁散射 45

2.3.2无限长多层圆柱的电磁散射 48

2.4椭球对平面波的电磁散射 51

2.4.1平面波用椭球谐矢量波函数的展开 51

2.4.2均匀椭球对平面波的电磁散射 52

2.4.3均匀导体椭球对平面波的电磁散射 55

2.4.4均匀椭球对平面波的电磁散射数值计算 55

2.5有限波束的电磁散射 56

2.5.1无限长多层圆柱对波束的电磁散射 56

2.5.2多层球对高斯波束的电磁散射 59

2.5.3多层圆柱和多层球对高斯波束的散射的数值计算 64

2.5.4旋转椭球对高斯波束的散射 65

参考文献 69

第3章 电磁散射的积分方程方法 71

3.1格林函数 71

3.1.1标量格林函数 72

3.1.2矢量波动方程和并矢格林函数 73

3.1.3半空间问题的格林函数 75

3.2积分方程 77

3.2.1导体目标的表面积分方程 77

3.2.2细导线目标的线积分方程 78

3.2.3介质目标的积分方程 79

3.3矩量法 82

3.3.1矩量法的基本原理 82

3.3.2基函数和测试函数 83

3.3.3脉冲基函数和三角形基函数 84

3.3.4基于三角片元的RWG基函数 85

3.3.5基于RWG基函数的理想导体目标的矩量法 86

3.3.6基于RWG基函数的均匀介质目标的矩量法 87

3.3.7非均匀介质目标的矩量法 88

3.3.8矩阵方程的求解 88

3.4极低频问题的矩量法 90

3.4.1极低频情况下普通矩量法的局限性 90

3.4.2环状基函数和树状基函数 91

3.4.3电场积分方程的矩量法实现 92

3.4.4磁场积分方程的矩量法实现 94

3.5特殊结构的矩量法 96

3.5.1线—面接头基函数及其矩量法实现 96

3.5.2基于物理特性的新型基函数及其应用 98

3.6矩量法中格林函数奇异性的处理 102

3.6.1线结构的奇异性处理 102

3.6.2面结构的奇异性处理 103

3.6.3线—面连接结构的奇异性处理 104

3.7开放结构积分方程的精确形式 105

3.7.1开放细导线结构的精确电场积分方程 105

3.7.2开放导体结构的精确电场积分方程 106

3.7.3介质体的精确电场积分方程 107

参考文献 108

第4章 电磁散射的微分方程方法 111

4.1有限元法的基本步骤 111

4.2二维电磁散射的标量有限元求解 112

4.2.1问题的数学描述 112

4.2.2二维吸收边界条件 113

4.2.3二维电磁有限元的泛函 114

4.2.4二维电磁有限元的标量基函数 115

4.2.5二维电磁有限元泛函的离散 116

4.2.6有限元矩阵边界条件的强加 118

4.2.7算例 118

4.3三维电磁散射的矢量有限元求解 119

4.3.1问题的数学描述 119

4.3.2三维吸收边界条件 119

4.3.3三维电磁有限元的泛函 120

4.3.4三维电磁有限元的矢量基函数 121

4.3.5泛函变分表达式的离散 122

4.3.6线性方程组的求解 124

4.3.7有限元稀疏矩阵的存储 125

4.3.8远区散射场的计算 126

4.3.9算例 126

4.4时域有限差分方法的基本格式 127

4.4.1Yee元胞 127

4.4.2直角坐标中的FDTD：三维情形 128

4.4.3直角坐标中的FDTD：二维情形 130

4.4.4直角坐标中的FDTD：一维情形 132

4.4.5空间间隔与时间间隔的选取 133

4.5截断边界——Mur吸收边界条件 133

4.5.1Engquist-Majda吸收边界—单向行波方程方法 133

4.5.2一阶和二阶近似公式 134

4.5.3Mur吸收边界条件的FDTD形式 135

4.5.4棱边和角顶点的特殊考虑 137

4.6截断边界——完全匹配层 140

4.6.1平面波入射到半空间单轴介质分界面情形 140

4.6.2单轴各向异性分界表面的无反射条件：匹配矩阵 142

4.6.3棱边和角顶区 144

4.6.4三维UPML的时域公式 146

4.6.5三维UPML的FDTD公式 148

4.7近场—远场外推 151

4.7.1等效原理 151

4.7.2时谐场外推公式 152

4.7.3封闭面积分计算的平均值方法 154

4.7.4瞬态场外推公式 156

4.7.5瞬态场外推的投盒子方法 157

参考文献 160

第5章 高频渐近技术 162

5.1高频渐近技术概述 162

5.2几何光学 165

5.2.1麦克斯韦方程的渐近解 165

5.2.2高频的几何光学近似 165

5.2.3均匀媒质中射线场的表示式 167

5.2.4几何光学入射场、反射场和透射场 168

5.3边界条件 174

5.3.1广义阻抗边界条件 175

5.3.2吸收边界条件 175

5.3.3人造硬边界和软边界条件 176

5.4物理光学 177

5.4.1Stratton-Chu积分方程及其简化形式 177

5.4.2切平面近似 179

5.4.3物理光学方法的几种具体型式 179

5.4.4迭代物理光学（IPO） 180

5.5绕射射线场分析方法 181

5.5.1绕射场基本概念 181

5.5.2理想纯导电直劈的绕射场 183

5.5.3理想导电曲边缘的绕射场 186

5.5.4尖顶和拐角绕射 189

5.5.5不连续曲面的绕射矩阵 192

5.5.6物理光学（PO）与物理绕射理论（PTD） 193

5.5.7阻抗劈绕射 196

5.6表面波绕射 199

5.6.1光滑凸曲面散射问题的GTD解 200

5.6.2光滑凸曲面上源的辐射问题的GTD解：阴影区的场 201

5.6.3凸曲面散射问题的UTD解 203

5.6.4凸曲面上源辐射问题的UTD解 206

5.6.5涂层目标的表面波 209

5.7焦散区场量求解法 210

5.7.1等效电磁流法 210

5.7.2增量长度绕射系数（ILDC） 212

5.8时域高频技术 214

5.8.1时域高频物理光学近似 214

5.8.2时域一致性绕射 215

参考文献 218

第6章 电磁散射计算的混合方法 222

6.1混合法的基本原理 222

6.1.1等效原理 222

6.1.2模式理论 224

6.2高频近似方法和全波数值方法的混合 224

6.2.1高频近似法与有限元法的混合 224

6.2.2高频近似法与矩量法的混合 227

6.3全波数值方法之间的混合 229

6.3.1有限元、边界元、多层快速多极子的混合——合元极技术 229

6.3.2电场积分方程与磁场积分方程的混合 235

6.3.3有限元法与模匹配法的混合 237

参考文献 240

第7章 数值分析中的高效算法 241

7.1快速多极子方法 241

7.1.1快速多极子方法研究历程 241

7.1.2快速多极子方法原理 243

7.1.3快速多极子方法数值实现 244

7.1.4快速多极子方法与矩量法的存储量、计算量对比 246

7.2多层快速多极子方法 247

7.2.1多层快速多极子方法研究历程与现状 247

7.2.2多层快速多极子方法原理 248

7.2.3多层快速多极子方法数值实现 249

7.2.4数值误差 251

7.2.5优化技术 251

7.2.6计算性能与存储量考察 256

7.2.7方法评价、预测及展望 258

7.3基于多层快速多极子方法（MLFMA）的高效方法 259

7.3.1加速矩阵矢量相乘计算的方法 259

7.3.2降低迭代次数的高效方法 261

7.3.3基于高阶基函数的多层快速多极子方法 263

7.4基于快速傅里叶变换求解积分方程的其他高效方法 267

7.4.1共轭梯度—快速傅里叶变换方法 267

7.4.2自适应积分方程方法 267

参考文献 271

第8章 随机介质电磁散射与辐射传输 275

8.1矢量辐射传输（VRT）理论 275

8.1.1VRT方程的成分 276

8.1.2四个斯托克斯参数的VRT方程 277

8.2晴空大气VRT和一层植被VRT方程 279

8.3VRT解法 280

8.3.1球形粒子VRT的迭代法 280

8.3.2球形粒子VRT离散坐标和特征值方法 281

8.3.3非均匀散射介质VRT的不变嵌入法 282

8.3.4球形粒子主动VRT的傅里叶变换 282

8.3.5非球形粒子VRT方程的Mueller矩阵解 282

8.3.6非均匀分层植被极化脉冲回波Mueller矩阵解 283

8.3.7蒙特卡罗数值模拟 286

8.3.8复合建模的VRT与三维VRT 287

8.3.9密集粒子的DVRT 287

8.3.10广义玻恩近似下散射解 288

8.3.11非均匀群聚粒子的CVRT 289

8.4全极化散射与SAR对地观测成像 289

8.4.1全极化散射的Mueller矩阵和相干矩阵 290

8.4.2SAR多视图像四个斯托克斯参数统计特性 292

8.5环境杂波与目标回波的极化零值 294

8.6随机粗糙面的散射 296

8.6.1KA、SPA、COM近似 296

8.6.2计算机数值模拟粗糙面散射 298

参考文献 300

第9章 电磁散射计算的并行算法 304

9.1并行计算的基本概念 304

9.1.1并行计算的发展 304

9.1.2相关基本概念 304

9.2分布式并行计算平台 306

9.2.1基于工作站网络的并行系统 306

9.2.2基于个人计算机环境的并行系统 307

9.3集群环境 307

9.3.1集群技术 307

9.3.2通信库 309

9.3.3搭建集群环境 310

9.3.4集群性能测试 311

9.4分布式并行算法中的通信 311

9.4.1TCP／IP协议 312

9.4.2Windows线程和线程间的同步 314

9.5并行矩量法 316

9.5.1并行矩量法与串行矩量法流程对比 316

9.5.2数据域分解技术 320

9.5.3通信技术 324

9.6并行多层快速多级子方法 329

9.6.1数据预处理技术 329

9.6.2Morton键 329

9.6.3数据域分解 331

9.6.4邻接阻抗元素存储策略 331

9.6.5多层快速多极子矩阵和矢量相乘特点 332

9.6.6广播树和哑元树技术 332

9.6.7计算节点间多级转移技术的轮询通信模式 333

9.6.8RCS的并行计算 333

9.6.9串行／并行多层快速多极子流程对比 334

9.6.10并行程序加速比的评估 334

9.7并行多层快速多极子方法的应用 335

9.7.1简单形体目标 335

9.7.2复杂形体目标 336

9.7.3超电大目标 336

9.8FDTD的并行计算——区域分割与数据传递 337

9.8.1FDTD迭代的局域性 337

9.8.2FDTD的子域划分 339

9.8.3相邻子域之间的数据传递 339

9.8.4特殊边界的处理 342

9.9FDTD的并行计算——程序实现 344

9.9.1PVM的基本操作命令及子程序 344

9.9.2编程模式 348

9.9.3并行FDTD流程图及程序 349

9.9.4程序容错处理 353

9.10网络并行FDTD计算实例 355

9.10.1二维算例 355

9.10.2三维算例 355

9.10.3NASA杏仁核基准模型 357

9.10.4导弹模型 358

9.11并行计算性能测试 361

9.11.1并行计算所需内存估计 361

9.11.2金属机翼的计算 362

9.11.3加速比定义 362

9.11.4加速比测试与讨论 363

参考文献 364

第10章 电磁散射测量和模型的校模验证 365

10.1电磁散射实验室 365

10.1.1微波暗室 366

10.1.2理想导电目标的电磁缩比关系 366

10.1.3微波暗室的评价指标 367

10.2RCS测量方法 367

10.2.1相对标定法 368

10.2.2绝对标定法 368

10.2.3定标体 369

10.3紧缩场技术 370

10.3.1偏馈单反射面型紧缩场 370

10.3.2边缘处理技术 371

10.3.3紧缩场的主要参数 371

10.4低散射背景控制技术 372

10.4.1低散射目标支架 372

10.4.2矢量场相减技术 372

10.4.3软件距离门和硬件选通门技术 373

10.5RCS测量误差 374

10.5.1RCS测量的误差因素 374

10.5.2背景回波与最小可测RCS电平 374

10.5.3相干误差的统计分析 376

10.6RCS输出数据格式 380

10.6.1RCS数据的表示 381

10.6.2RCS数据的角度窗口平滑和处理 382

10.7基准体的电磁散射曲线 389

10.8模型的校验、评估方法 394

10.8.1点对点比较法 394

10.8.2平滑比较法 394

10.8.3成像比较法 395

10.8.4加权比较法 395

参考文献 396