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1、 代号 分 类 号 学号 密级 代号 分 类 号 学号 密级 10701 10701 TN011 TN011 公开 公开 0905980035 0905980035 题题（中、英文）（中、英文）目目复杂目标电磁散射的复杂目标电磁散射的 FDFD 方法研究 方法研究 Study of FDFD algorithm for Electromagnetic Scattering by Complex Targets 作者姓名作者姓名刘艳峰指导教师姓名、 职务指导教师姓名、 职务魏兵 教授 学科门类学科门类 理学 提交论文日期提交论文日期二一二年四月二十日 学科、 专业学科、 专业无线电物理 西安电子
2、科技大学高校教师硕士研究生学位论文西安电子科技大学高校教师硕士研究生学位论文 复杂目标电磁散射的复杂目标电磁散射的 FDFD 方法研究方法研究 作者：刘艳峰作者：刘艳峰 导师：魏导师：魏 兵兵 教授教授 学科：无线电物理学科：无线电物理 2012 年年 4 月 中国 西安 月 中国 西安 Study of FDFD algorithm for Electromagnetic Scattering by Complex Targets A Dissertation Submitted to Xidian University in Candidacy for the Degree of Mast
3、er of Science in Radio Physics By Liu Yan Feng April 2012 Xian, P. R. China 西安电子科技大学西安电子科技大学 学位论文独创性（或创新型）声明学位论文独创性（或创新型）声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的
4、说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：_ 日期：_ 西安电子科技大学西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 （保密的论文在解密后遵守此规定） 本学位论文属于保密，在 年解密后
5、适用本授权书。 本人签名：_ 日期：_ 导师签名：_ 日期：_ 摘 要 摘 要 目标特性计算在电磁成像、地下电磁探测、目标识别等方面具有广泛的应用。 本论文概述了复杂目标电磁散射特性计算的多种方法，并研究了频域有限差分 （Finite Difference Frequency Domain，FDFD）法计算复杂目标电磁散射特性的若 干方面，具体包括如下内容： 首先，介绍了矩量法（MoM） 、有限元（FEM）法和频域有限差分（FDFD） 法等数值算法，几何光学（GO）法、物理光学（PO）法等高频近似技术以及高低 频混合算法。 其次，从 Maxwell 方程组微分形式出发详细介绍了二维、三维频域有
6、限差分 （FDFD） 法的基本原理。 主要包括空间离散网格的特点、 电场节点 FDFD 方程式、 一阶及二阶 Mur 吸收边界频域差分格式、总场散射场的设置、近-远场外推的方 法等多个方面。 最后，讨论了二维、三维 FDFD 法中吸收边界条件、总场散射场（TF/SF） 方法平面波引入、根据 Huygens 原理基于外推面上的等效电磁流法由近场外推得 到远区场的具体实现步骤。用 FDFD 方法计算了复杂目标的电磁散射特性，数值 结果表明本文方法的正确性和分析复杂目标电磁散射特性的有效性。 关键词：复杂目标 电磁散射 频域有限差分法 FDFD 方法在复杂目标电磁散射中的应用 Abstract Ab
7、stract The calculation of target characteristics has been widely applied in electromagnetic imaging, underground electromagnetic detection, and target identification, etc. This paper summarizes multiple methods for calculating the electromagnetic scattering properties of complex targets, and has a r
8、esearch on several aspects of it by using Finite Difference Frequency Domain (FDFD) method, including the following contents: First, the numerical algorithms, such as Method of Moment (MoM), Finite Element Method (FEM), FDFD, high frequency approximation technique, such as GO, PO and hybrid method a
9、re discussed. Second, fundamental principles of two and three dimensional FDFD method are introduced from the differential form of the Maxwell equations, which mainly includes the characteristics of discrete grids in space, the FDFD equations of electric field junctions, the discrete formulas of fir
10、st- and second-order Mur absorbing boundary conditions in frequency domain, the Total-Field/Scattered-Field (TF/SF) technique and the near and far field extrapolation. Finally, implementation of the absorbing conditions in two and three dimension, introduction of plane wave, the specific procedures
11、of obtaining far field from near field based on equivalent electromagnetic currents technique from Huygens principle are introduced. Scattering characteristics of complex targets are calculated by using FDFD method, the numerical results show that the correctness and effectiveness of the method pres
12、ented in this Dissertation. Keywords: Composite Targets Electromagnetic scattering Finite-difference frequency-domain (FDFD) method 复杂目标电磁散射的 FDFD 方法研究 目 录 目 录 第一章 绪论. 1 第一章 绪论. 1 1.1 研究背景及意义. 1 1.2 国内外计算电磁学研究动态. 2 1.3 论文研究的主要问题及框架. 4 第二章 计算方法概述. 5 第二章 计算方法概述. 5 2.1 引言. 5 2.2 低频数值计算法. 6 2.2.1 矩量法（MoM）. 6 2.2.2 有限元法 . 7 2.2.3 频域有限差分法(FDFD). 9 2.3 高频数值计算法. 13 2.4 混合计算法. 15 2.5 本章小结. 16 第三章 二维频域有限差分（第三章 二维频域有限差分（FDFD）方法. 17 ）方法. 17 3.1 二维空间中 FDFD 基本公式. 17 3.2 吸收边界.
