半空间多尺度多媒质目标电磁散射精确高效建模方法研究

In order to better understand the scattering characteristics of radar targets on land/sea surface, this project will carry out accurate modeling of multi-media and multi-scale complex target electromagnetic scattering and its efficient numerical solver. To overcome challenges such as composite materials, absorbing materials, multiscale features, and the complex electromagnetic coupling between the target and the land/sea environment, the project will carry out the following research on practical targets (especially artificial targets): 1) propose and study the domain-decomposition-enhanced finite element-boundary element-multipole modeling method for half-space multi-scale multi-media targets; 2) propose and study a novel multi-layer fast multipole algorithm for half-space integral equation that represents the coupling between the target and its half-space environment; 3) for the multi-scale features, implement the domain decomposition-enhanced HLU direct inversion solver for the finite element equation. The project expects to realize a highly efficient and accurate simulation for actual targets near the land/sea-air interface through breakthroughs on the above key technologies and to provide scattering mechanism and theoretical support for related engineering applications.

面向对地/海面雷达目标散射特性深入认知的迫切需求，本项目拟开展半空间多媒质、多尺度复杂目标电磁散射的精确建模及其高效求解方法研究。针对实际目标（特别是人造目标）中广泛存在的复合材料、吸波材料、缝隙等多媒质、多尺度特征，以及目标与地/海环境复杂电磁耦合等诸多挑战性问题, 本项目拟开展以下研究工作：1）提出并研究阻抗型半空间多尺度多媒质目标的区域分解型有限元-边界积分-多层快速多极子建模方法；2) 针对表述目标与地/海环境耦合的阻抗型半空间积分方程，提出并研究新型阻抗型半空间多层快速多极子技术；3)针对多尺度特征，开展有限元方程的区域分解型H-LU直接求逆技术研究。本项目拟通过对以上关键技术的突破，对地/海-气界面实际目标的电磁散射问题进行高效精确模拟，为相关工程应用的电磁理论和散射机理研究提供支撑。

半空间背景是除去自由空间背景之外最为常见的电磁环境背景，半空间模型也是各类地、海面目标的复合电磁散射，隐身与反隐身设计；陆地/海洋微波遥感、雷达成像等领域的基础性电磁分析模型。利用空气与海水或者湿润土壤之间介电常数的显著差异所建立起来阻抗边界半空间背景，以及该背景下多尺度多媒质目标的精确、高效电磁散射建模与数值求解是本项目拟解决的关键科学课题。现有的全波电磁计算方法，难以实现这类问题的通用、高效仿真。 ..围绕本项目拟解决的关键科学问题，在本项目资助下首先开展了阻抗半空间下多尺度多媒质目标的混合有限元-边界积分-多层快速多极算法研究，实现了半空间背景下电大尺寸非均匀目标的电磁散射高效计算。在此基础上了，利用阻抗边界半空间格林函数的特点，提出了新型的多层快速多极子实现方案；并以半空间多层快速多极子技术为基础了，探索了半空间背景下，汽车、舰船目标的天线特征模式高计算方法，以及基于H-矩阵的高效稀疏矩阵求拟技术。 ..本项目的研究工程可以直接应用地海非均匀目标的电磁散射分析，舰船、汽车等半空间平台上的低频天线辐射特性仿真，为相关工程应用提供科学数据支撑。 本项目研究成果发表学术研究论文5篇，其中天线传播领域顶级期刊论文2篇，《电波科学学报》综述论文1篇；已发表国际会议论文6篇，授权发明专利2项。