基于FDTD方法的超宽带电磁场数值模拟-通信与信息系统专业论文.docx

ClassifiedIndex:::BilanLiuSupervisor::munication and InformationSystemAffiliation:ShenzhenGraduateSchoolDateofDefense:June,2009Degree-Conferring-Institution:HarbinInstituteofTechnology摘 要超宽带信号是就信号的相对带宽而言,当信号的带宽与中心频率之比大于25%时称为超宽带信号。超宽带电磁波因其频带宽、分辨率高、回波信号能携带被测目标丰富的特征信息等特点,被广泛应用于目标探测和成像领域。本文利用时域有限差分方法对室内环境下电磁波传播特性进行了数值模拟。分别仿真验证了二维,三维情况下FDTD方法的有效性,分析了超宽带脉冲源的性质以及传播特性。本文所做的工作就是基于电磁波的基本理论:首先介绍了FDTD格式以及各分量节点的取法。然后介绍了FDTD方法的数值稳定性和数值色散问题:包括时间间隔的稳定性要求以及Courant稳定性条件--即空间步长和时间间隔之间所需满足的关系。此外,还介绍了时域有限差分方法的边界条件:先从波动方程角度介绍了FDTD的吸收边界条件,由此引出了Mur的一阶、二阶条件;然后又介绍了一种吸收效果较好的完全匹配层(PML)吸收边界条件。通过分析FDTD的基本算法和将其应用于超宽带电磁脉冲信号的仿真研究需特殊处理的一些方面,建立超宽带电磁脉冲信号传播的FDTD二维及三维算法。分析超宽带电磁脉冲在空气中的能量衰减特性。以FDTD方法理论为基础,制定程序流程,。分别以自由空间中高斯脉冲源问题和电偶极子辐射问题为例对程序进行了校验,数值模拟结果与解析结果能很好地符合,证实了所编写程序的有效性和正确性。分析了超宽带电磁脉冲在空气中及在室内环境下与物体作用的传播特性。同时数值模拟分析比较了PML层FDTD仿真中的作用。最后数值模拟分析了超宽带电磁脉冲信号在实际成像中的一个简单应用: 模拟简单的室内环境进行FDTD模拟仿真。关键词:时域有限差分;超宽带;完全匹配层AbstractAsignaliscalledanUltra-bandsignal(UWB)ifitsratioofbandwidthtocenter-frequencyexceeds25%.Sinceithasmanyadvantagessuchashighfrequencybandwidth,highresolvingpower,itsechocantakeabundantcharacteristicinformationofthedetectedtarget,,theresponsecharacteristicofultra-,thebasictheoryofFDTDMethodoftwo-dimensionalandthreedimensionalunderCartesiancoordinatesareintroducedindetail,-dimensionalandthree-,'sabsorbingboundaryconditions,then,anefficientboundaryconditionisintro