基于单轴各向异性完全匹配层边界条件的ADI-FDTD三维GPR全波场正演 被引量：8

1

作者 冯德山 谢源 《中南大学学报（自然科学版）》 EI CAS CSCD 北大核心 2011年第8期2363-2371,共9页

基于交替方向隐式差分(ADI-FDTD)法突破了CFL稳定性条件的约束,具有无条件稳定性的特点,而单轴各向异性完全匹配层(UPML)边界条件具有宽频带吸收特性、不需要对电场和磁场进行分裂、迭代公式简单、便于编程的特点,提出基于UPML边界条件... 基于交替方向隐式差分(ADI-FDTD)法突破了CFL稳定性条件的约束,具有无条件稳定性的特点,而单轴各向异性完全匹配层(UPML)边界条件具有宽频带吸收特性、不需要对电场和磁场进行分裂、迭代公式简单、便于编程的特点,提出基于UPML边界条件的ADI-FDTD三维探地雷达数值模拟算法;通过对三维Maxwell方程进行离散化,推导GPR波的ADI-FDTD及其UPML边界条件2个子时间步的迭代差分公式,以及计算步骤。开发ADI-FDTD三维模拟程序,并对三维复杂GPR模型进行正演模拟,分析该模型的剖面图、切片图及不同时刻6个分量的全波场快照。研究结果表明:由全波场快照可以了解雷达波形在空间中的传播过程及变化规律,有助于对雷达资料进行更可靠、更准确的解释;基于UPML边界条件的ADI-FDTD算法消除了截断边界处的强反射,能对三维复杂的GPR模型进行快速、高效模拟。 展开更多

关键词 探地雷达 交替方向隐式有限差分法 单轴各向异性完全匹配层 正演

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探地雷达FDTD数值模拟中不分裂卷积完全匹配层对倏逝波的吸收效果研究 被引量：18

2

作者 冯德山 杨良勇 王珣 《地球物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2016年第12期4733-4746,共14页

介绍了CPML边界条件的原理,推导了CPML的GPR正演FDTD差分公式,对比分析了Berenger PML、UPML、CPML三种PML对倏逝波的吸收性能.开展了PML边界中关键参数κ和α的选取实验,确定了参数的取值范围与选取原则.然后,以二维TM波为例,研究了倏... 介绍了CPML边界条件的原理,推导了CPML的GPR正演FDTD差分公式,对比分析了Berenger PML、UPML、CPML三种PML对倏逝波的吸收性能.开展了PML边界中关键参数κ和α的选取实验,确定了参数的取值范围与选取原则.然后,以二维TM波为例,研究了倏逝波产生的机理,分析了决定逝波性吸收性能的影响因素.均匀介质的波场快照、检测点的反射误差及全局反射误差对比,说明了3种边界条件对传输波都具有较好的吸收能力,而对低频倏逝波的吸收表现迥异,其中CPML因为引入了参数α,对倏逝波的吸收效果最佳,但离散化造成的全域误差也最大.最后,应用加载UPML和CPML边界条件的FDTD程序,开展了GPR二维剖面法、宽角法矩状地电模型及三维复杂模型的正演,展示了倏逝波反射对雷达正演剖面及波场快照的影响.进一步对比了UPML与CPML对倏逝波的吸收表现优劣,结果显示,CPML可有效减少边界反射误差,并能取得满意的精度,综合考虑对倏逝波的吸收、全域误差、编程难易程度等因素,在GPR正演中推荐使用CPML. 展开更多

关键词 探地雷达 不分裂卷积完全匹配层 单轴各向异性完全匹配层 倏逝波 时域有限差分法

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基于卷积完全匹配层的非规则网格时域有限元探地雷达数值模拟 被引量：18

3

作者 冯德山 王珣 《地球物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2017年第1期413-423,共11页

复频移完全匹配层(Complex Frequency-Shifted PML,CFS-PML)在长时间时域计算中对凋落波、倏失波具有好的吸收效果,并被广泛应用于时域有限差分模拟中.而本文采用卷积方法将CFS-PML应用于时域有限元求解GPR波动方程的数值模拟中.论文以T... 复频移完全匹配层(Complex Frequency-Shifted PML,CFS-PML)在长时间时域计算中对凋落波、倏失波具有好的吸收效果,并被广泛应用于时域有限差分模拟中.而本文采用卷积方法将CFS-PML应用于时域有限元求解GPR波动方程的数值模拟中.论文以TM波为例,推导了基于CPML(Convolutional PML)边界的时域有限元GPR波动方程求解公式,采用Newmark-β方法对时间导数进行离散,有效改善了时域有限元GPR数值计算程序的稳定性.并以狭长模型为例,开展了CPML边界中关键参数m、R和κ的选取实验,通过对比反射误差大小确定了综合最优参数组合.相同时刻UPML与CPML波场快照、3个检测点的反射误差比较,说明CPML较UPML具有更好的吸收效果.最后,采用非规则四边形网格对1个复杂GPR模型进行剖分,应用加载CPML边界条件的FETD程序对该模型进行了正演,得到了二维剖面法、宽角法正演GPR剖面图,说明非规则四边形对复杂模型的良好适应性,基于CPML边界条件的FETD可有效减少边界反射误差,能实现对任意复杂不规则模型的正演模拟. 展开更多

关键词 探地雷达 时域有限元 卷积完全匹配层 单轴各向异性完全匹配层 非规则四边形

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高阶复合完全匹配层的应用研究

4

作者 李源 许家栋 《空军工程大学学报（自然科学版）》 CSCD 北大核心 2011年第4期78-81,共4页

研究了应用于时域算法的一种高阶完全匹配层(Perfectly Matched Layer,PML)方法,并提出了一种复合PML研究方法。在高阶PML原理的基础上,给出了复合PML的研究思路,及其应用于显式时域有限差分方法的过程。采用高阶PML和复合PML计算了波... 研究了应用于时域算法的一种高阶完全匹配层(Perfectly Matched Layer,PML)方法,并提出了一种复合PML研究方法。在高阶PML原理的基础上,给出了复合PML的研究思路,及其应用于显式时域有限差分方法的过程。采用高阶PML和复合PML计算了波导的反射系数,结果表明有限元计算的结果是准确而稳定的。对比计算结果,可以看出与普通PML相比,高阶PML和复合PML对隐失波和各个频段的传输波都能起到良好的吸收效果,为有限元算法的广泛应用奠定了良好的基础。 展开更多

关键词 时域有限元方法 完全匹配层 复频移完全匹配层 各向异性完全匹配层

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基于UPML边界条件的交替方向隐式有限差分法GPR全波场数值模拟 被引量：26

5

作者 冯德山 陈承申 戴前伟 《地球物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2010年第10期2484-2496,共13页

交替方向隐式差分(ADI FDTD)法突破了Courand-Friedrich-Levy(CFL)条件的约束,具有无条件稳定的特点;而单轴各向异性完全匹配层(UPML)边界条件具有宽频带吸收特性,不需要对电场和磁场进行分裂,迭代公式简单,便于编程的特点.综合两者优势... 交替方向隐式差分(ADI FDTD)法突破了Courand-Friedrich-Levy(CFL)条件的约束,具有无条件稳定的特点;而单轴各向异性完全匹配层(UPML)边界条件具有宽频带吸收特性,不需要对电场和磁场进行分裂,迭代公式简单,便于编程的特点.综合两者优势,本文提出了基于UPML边界条件的ADI-FDTD探地雷达数值模拟算法,通过对3个二维Maxwell方程进行离散化,推导了GPR波的ADI-FDTD及其UPML边界条件的两个子时间步的迭代差分公式,并分别给出了详细计算步骤.在此基础上,开发了相应的模拟程序,应用该程序对两个GPR模型进行了正演模拟,得到了两个正演模型的wiggle图、扫描图与全波场快照.通过分析这些雷达剖面图与波场快照,可以了解雷达波形在空间中的传播过程及变化规律,有助于雷达资料更可靠、更准确的解释.模拟结果表明,基于UPML边界条件的ADI-FDTD算法可取较大的时间步长,消除了截断边界处的强反射,能对简单与复杂GPR模型进行快速、高效模拟. 展开更多

关键词 探地雷达 交替方向隐式有限差分法 单轴各向异性完全匹配层 数值模拟

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二维DGTD方法中UPML吸收边界的实现 被引量：4

6

作者 李林茜 魏兵 +1 位作者 杨谦 葛德彪 《西安电子科技大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2016年第6期86-90,共5页

针对二维情形单轴各向异性完全匹配层吸收边界条件,研究了横磁波情形时域离散伽略金算法单轴各向异性完全匹配层吸收边界的理论基础和实现方案.借鉴时域有限差分方法——时域离散伽略金算法中吸收边界阻抗匹配、各向异性介质参数设置和... 针对二维情形单轴各向异性完全匹配层吸收边界条件,研究了横磁波情形时域离散伽略金算法单轴各向异性完全匹配层吸收边界的理论基础和实现方案.借鉴时域有限差分方法——时域离散伽略金算法中吸收边界阻抗匹配、各向异性介质参数设置和匹配矩阵等思想,结合时域离散伽略金算法空间离散网格的非结构特性和离散单元之间场量传递的特点,给出了在单轴各向异性完全匹配层中电磁场量时域迭代公式,进一步离散成为离散时域迭代计算式.由于时域离散伽略金算法网格的非结构特性,一阶SM吸收边界条件一般对入射电磁波的反射率在-24dB左右.仿真算例说明,给出的时域离散伽略金算法单轴各向异性完全匹配层吸收边界对电磁波的双重衰减达130dB,表明单轴各向异性完全匹配层具有良好的吸收效果. 展开更多

关键词 时域离散伽略金方法 单轴各向异性完全匹配层 横磁波

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CFS-PML在探地雷达FDTD法模拟中应用 被引量：2

7

作者 石明 冯德山 吴奇 《大连理工大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2015年第6期559-567,共9页

探地雷达(GPR)数值模拟中,为了使截断边界处不产生人为的反射波,需要加载边界条件.目前常用的完全匹配层(PML)边界对隐失波、低频波、掠角波等不能很好地吸收.为此,在时域有限差分(FDTD)法中引入复频移卷积完全匹配层(CFS-PML).从二维T... 探地雷达(GPR)数值模拟中,为了使截断边界处不产生人为的反射波,需要加载边界条件.目前常用的完全匹配层(PML)边界对隐失波、低频波、掠角波等不能很好地吸收.为此,在时域有限差分(FDTD)法中引入复频移卷积完全匹配层(CFS-PML).从二维TM波的Maxwell方程组出发,阐述了CFS-PML边界条件的原理,推导了CFS-PML边界加载的离散差分公式,给出了CFS-PML边界条件的参数选取原则.应用均匀介质中GPR波场快照,对比了截断处没有加载边界条件、加载3种不同边界条件的边界处反射波的强弱,实例说明单轴各向异性完全匹配层(UPML)、CFS-PML边界条件具有较好的吸收效果.为了进一步对比UPML与CFS-PML的吸收效果,设置了双层介质狭长模型,通过波场快照与全局反射误差证明了CFS-PML对隐失波、低频波、掠角波的吸收较UPML效果更佳. 展开更多

关键词 复频移卷积完全匹配层 单轴各向异性完全匹配层 时域有限差分法 探地雷达 正演模拟

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地下目标散射的并行FDTD计算 被引量：3

8

作者 张晓燕 盛新庆 《电波科学学报》 EI CSCD 北大核心 2007年第6期952-957,共6页

着重讨论半空间FDTD并行计算方法,入射源的特殊处理方式,和如何调节负载不平衡三个问题,给出一种简单易行的地下目标雷达散射截面的并行时域有限差分(FDTD)方案,并在北京理工大学电磁仿真中心刘徽并行计算平台上,做了具体的程序实现和... 着重讨论半空间FDTD并行计算方法,入射源的特殊处理方式,和如何调节负载不平衡三个问题,给出一种简单易行的地下目标雷达散射截面的并行时域有限差分(FDTD)方案,并在北京理工大学电磁仿真中心刘徽并行计算平台上,做了具体的程序实现和数值实验,实验不仅证实了算法的精度,而且还表明并行方案的高效,即当参与计算的处理器数量达到14个时,并行效率仍然可以保持在80%以上。在此基础上,用开发的程序计算了以往串行算法无法计算的电大地下典型目标的雷达散射截面。 展开更多

关键词 并行时域有限差分 地下目标 电磁散射 单轴各向异性完全匹配层

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基于时域多分辨法微带线串扰分析 被引量：1

9

作者 赵孔瑞 于长军 +1 位作者 周共健 权太范 《电波科学学报》 EI CSCD 北大核心 2012年第2期383-388,共6页

时域多分辨分析法作为一种时域计算方法,其吸收边界直接影响到计算的准确度。采用具有紧支撑性和对称性的CDF(2,6)尺度函数作为基函数得到了三维各向异性完全匹配层吸收边界;将时域多分辨分析法应用于微带线串扰分析中,给出了适用于任... 时域多分辨分析法作为一种时域计算方法,其吸收边界直接影响到计算的准确度。采用具有紧支撑性和对称性的CDF(2,6)尺度函数作为基函数得到了三维各向异性完全匹配层吸收边界;将时域多分辨分析法应用于微带线串扰分析中,给出了适用于任意尺度函数的集总电阻和阻抗电压源模拟方法,并用该方法分析了某印刷电路板上两根平行微带线的串扰问题。仿真结果表明:与传统的时域有限差分算法相比,以CDF(2,6)尺度函数为基函数的时域多分辨分析法只需要其一半的网格数,计算速度提高三倍,同时具有内存使用少、利用率高等特点。 展开更多

关键词 时域多分辨分析 各向异性完全匹配层 时域有限差分法

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非磁化等离子体覆盖导体柱的ZTFDTD分析 被引量：3

10

作者 晏明 许金 余锡文 《微波学报》 CSCD 北大核心 2008年第S1期49-52,共4页

将归一化的Z变换时域有限差分算法(ZTFDTD)用于仿真电磁波与非磁化等离子体的相互作用,给出了非磁化等离子体的ZTFDTD迭代公式。通过二维模型分别计算了非磁化等离子体覆盖导体柱的双站散射特性,分析了不同等离子体自由电子密度分布,不... 将归一化的Z变换时域有限差分算法(ZTFDTD)用于仿真电磁波与非磁化等离子体的相互作用,给出了非磁化等离子体的ZTFDTD迭代公式。通过二维模型分别计算了非磁化等离子体覆盖导体柱的双站散射特性,分析了不同等离子体自由电子密度分布,不同电磁波频率和不同等离子体碰撞频率对雷达散射截面(RCS)的影响。数值结果表明,合理地置等离子体参数,可以增强等离子体隐身效果。 展开更多

关键词 时域有限差分法 Z变换 等离子体隐身 各向异性介质完全匹配层 雷达散射截面

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目标电磁散射的面中心立方体网格FDTD方法 被引量：4

11

作者 杨利霞 汪刘丰 +1 位作者 陈伟 薄勇 《系统工程与电子技术》 EI CSCD 北大核心 2021年第10期2718-2724,共7页

基于面中心立方体(face-centered cube,FCC)网格的空间结构,由麦克斯韦方程出发,推导了基于FCC网格的单轴各向异性介质完全匹配层(uniaxial anisotropic media perfectly matched layer,UPML)吸收边界条件以及近远场外推边界条件的三维... 基于面中心立方体(face-centered cube,FCC)网格的空间结构,由麦克斯韦方程出发,推导了基于FCC网格的单轴各向异性介质完全匹配层(uniaxial anisotropic media perfectly matched layer,UPML)吸收边界条件以及近远场外推边界条件的三维迭代式。通过典型算例,先后验证了基于面中心立方体网格的时域有限差分(FCC-finite difference time domain,FCC-FDTD)方法的UPML吸收边界条件和近远场外推边界条件的正确性。最后通过计算金属球的后向雷达散射截面(radar cross section,RCS)比较了FCC-FDTD方法与传统FDTD方法的计算精度,结果显示FCC-FDTD方法具有更高的计算精度。 展开更多

关键词 面中心立方体网格 时域有限差分方法 各向异性介质完全匹配层 近远场外推 雷达散射截面

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