【技術實現步驟摘要】
一種分析在海水色散介質中大尺寸目標散射電場的FDTD方法
[0001]本專利技術涉及一種分析在海水色散介質中大尺寸目標散射電場的FDTD方法，屬于計算電磁學
技術介紹
[0002]隨著水下電磁波通信和海洋勘探技術的發展，水下目標的電磁探測逐漸成為水下電磁場研究的重點方向。目前，解析法和有限元法是應用于電磁波傳播散射技術的常用方法。其中，解析法是對麥克斯韋方程組進行數值離散求解，但是其求得的低頻電磁波的近似數值解不符合高精度水下探測的要求。另外，由于低頻電磁波的傳播特性，水下電磁探測計算要求模擬的空間尺寸必須很大，而解析法對于大尺寸空間中電磁波的遠距離傳輸計算有明顯限制。有限元法可以計算復雜模型散射和處理復雜邊界問題，但仿真模擬難度較大，不適用于計算電磁波的遠距離傳播。
[0003]由于海水的高電導率，中高頻電磁波在海水中傳播具有極強的衰減效應，因此研究低頻電磁波在水下的傳播和電磁散射問題愈發重要。為了解決這一問題，本專利技術旨在構建一種在三維海水Debye色散介質中的時域有限差分電磁計算模型。
[0004]需要說明的是，上述內容屬于專利技術人的技術認知范疇，并不必然構成現有技術。
技術實現思路
[0005]本專利技術的目的在于解決現有技術所存在的問題，提供了一種分析在海水色散介質中大尺寸目標散射電場的FDTD方法，可控制入射電磁波波形、電磁波頻率f、水下目標形狀及大小等參數分析散射電場的影響因素及分布特性。
[0006]本專利技術通過采取以下技術方案實現上述目的：
【技術保護點】
【技術特征摘要】
1.一種分析在海水色散介質中大尺寸目標散射電場的FDTD方法，其特征在于，包括如下步驟：S1、建立三維海水環境的Debye有耗色散介質模型，采用Debye公式計算所建立海水模型與頻率有關的復介電常數計算方程如公式(1)，式中，ε
∞
為海水在無限大頻率時的介電常數，ε
s
為零頻相對介電常數，jω項為虛部損耗，ω＝2πf，j為虛部單位，τ為弛豫時間，表示海水從開始極化到達到極化狀態所用的時間；S2、頻域下在海水模型中建立電場強度和電位移的本構方程如公式(2)，式中，ε0為真空介電常數，為公式(1)中計算的海水復介電常數，將公式(1)代入公式(2)中，并令
△
ε＝ε
s
?
ε
∞
，得到頻域下電場強度和電位移的矢量方程如公式(3)，S3、引入輔助變量A，設代入公式(3)中，得到D(ω)＝ε0ε
∞
E(ω)+ε0A(ω)，利用Z變換方法將頻域下的輔助變量A、電位移矢量D和電場強度E轉換到Z域中的計算方程如公式(4)、(5)、(6)，則則則S4、使用D
n
代替D(z)，A
n
?1代替z
?1A(z)，將Z域下輔助變量A的計算公式(4)和電場強度E的計算公式(6)過渡到時域下的離散形式，得到時域下電場強度E和輔助變量A的差分方程如公式(7)和(8)，如公式(7)和(8)，
S5、對海水模型的計算區域劃分電場強度和磁場強度的空間和時間三維差分網格，將空間和時間基于劃分的網格進行離散，假設每個網格內的電導率和相對介電常數均相同；其中，探測目標上方的空間步長和時間步長大于下方的空間步長和時間步長；S6、時域下通過麥克斯韋旋度方程，利用FDTD方法對離散后的海水模型進行中心差分，得到海水深度x方向上的電場強度E和磁場強度H的差分方程如公式(9)和(10)，得到海水深度x方向上的電場強度E和磁場強度H的差分方程如公式(9)和(10)，Δt為時間離散間隔，
△
x為空間離散間隔，上標n表示計算的時間步長，計算時間t＝n
·
△
t；k表示計算的空間步長，在深度x方向計算的空間距離x＝k
·
△
x，電場E
z
在空間和時間的整數步長取值，磁場H
y
在空間和時間的半整數步長取值，S7、在海水模型的計算區域中加入初始條件即入射電磁波源D
zn
(k)，模擬水下電磁探測，設置吸收邊界條件，基于步驟S4和S5得到的差分方程，對步驟S6劃分的網格進行迭代計算，更新電場，得到全空間全時段的水下電場分布；S8、海水模型的計算區域內沒有加水下探測目標時，通過步驟S1
?
S7計算得到的電場分布為入射電場；S9、在海水模型的計算區域內利用函數構建探測目標的函數模型，探測目標設定為有耗色散介質，計算加入探測目標后的電場分布為總場；S10、總場和入射電場的差即為探測目標的散射電場。2.根據權利要求1所述的分析在海...
【專利技術屬性】
技術研發人員：郭元龍，張慶一，朱玉，劉健，魏寶君，
申請(專利權)人：中國石油大學華東，
類型：發明
國別省市：
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