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三维FDTD方法在多层全各向异性媒质结构上的Z变换算法研究

批准号:
62101333
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
张玉贤
依托单位:
学科分类:
电磁场与波
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
张玉贤

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
作为电磁材料的一种重要特征,各向异性是对分层材料科学和地下电磁勘查的关键研究对象。为了探索各向异性的电磁波传播过程,实现其正演数值算法,需要突破因复杂张量计算、算法稳定性和数值精度等因素而导致的学术难题。时域有限差分法(FDTD)通过网格平均电导率和导磁率,结合E和H的迭代关系,已成功实现在各向异性媒质上的Bloch-Floquet周期边界条件。为了延拓在各向异性媒质方面上的研究,本项目拟结合Z变换方法,研究基于D、E、B和H的迭代过程的三维全各向异性FDTD方法,应用于分层结构和周期问题上。针对这一方法具体研究,分别提出:(1)Bloch-Floquet周期边界条件来处理周期结构的边界截断问题;(2)Z变换完全匹配层来处理媒质的边界截断问题;(3)采用高性能Fortran语言环境来编译代码。项目的完成可以深入探讨电磁波在各向异性问题上的传播过程,为复杂电磁问题的研究节省时间和经济成本。
英文摘要
As an important feature of electromagnetic materials, anisotropy is the key research object of stratified materials science and underground electromagnetic exploration. For exploring the electromagnetic propagation and realizing the forward numerical algorithm in anisotropy, it is necessary to break through the academic problems caused by the factors such as complex tensor calculation, algorithm stability and numerical accuracy. Finite-Difference Time-Domain (FDTD) method in electromagnetic waves has successfully implemented the Bloch-Floquet Periodic Boundary Conditions on anisotropic media through the grid average electrical loss tensor and magnetic loss tensor, combining the iterative relationship of electric field intensity E and magnetic field intensity H. To further extend the research content on fully anisotropic media, this project intends to combine the Z transform method to study the three-dimensional fully anisotropic FDTD method based on the iterative process of electric flux D, electric field intensity E, magnetic flux B and magnetic field intensity H, and apply it to the problem of hierarchical structure and periodic processing. In view of the specific research of 3D fully anisotropic FDTD method combined with Z transform method, it is proposed that (1) Bloch-Floquet periodic boundary condition is applied to deal with the boundary truncation of periodic structure, (2) the perfectly matched layer under Z transform method is implemented to deal with the boundary truncation of general media, and (3) the high performance Fortran language is conducted to compile the code. The completion of the project can further explore the electromagnetic waves in anisotropy, and save time and economic cost for the study of the complex electromagnetic problems.
各向异性媒质属于电磁科学的重要研究对象,往往需要深入探索两个重要问题,分别是分层电磁传播的正演分析和成像研究。为了顺利解决正演数值算法的验证问题,本项目着力解决了复杂张量计算、算法稳定性和数值精度等方面的学术难题。在本项目的开展工作和学生指导中,提出了四方面的新理论分别为:.(1) 针对地下未知目标,提出基于时域伪谱(PSTD)法的电磁逆时偏移成像。.(2) 凭借数字信号处理,提出基于Z变换的三维各向异性媒质FDTD算法,并利用横向空间特征谱,完善尺度压缩的三维分层算法。.(3) 利用解析理论,提出各向异性传输矩阵算法。.(4) 在扩充系统描述的计算策略,提出关于系统矩阵耦合的无条件稳定FDTD算法。.按照项目的预期计划与任务要求,攻克了Z变换FDTD方法的技术难点,并提出了新理论(各向异性传输矩阵算法和系统矩阵耦合的无条件稳定FDTD算法)的验证方案。结合嫦娥五号的实测数据,提出了FDTD底层算法在成像理论中的场景应用。在项目执行期间,发表期刊论文13篇,会议论文7篇,申请国家发明专利10项,指导学生参加学科竞赛获奖9项。综上所述,项目完成了所有的预期研究目标,圆满地完成了相应研究内容。本项目的顺利进行达到了深入探讨电磁波在各向异性问题上的传播过程,为复杂电磁问题的研究节省时间和经济成本。
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