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基于FDTD方法的地球—电离层波导系统极低频/超低频电磁建模与分析

作　者: 夏汉刚
导　师: 曹群生
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 电磁场与微波技术
关键词: 球坐标FDTD方法 极低频/超低频(ELF/SLF)电磁传播 地球—电离层波导系统 晶格合并技术 GIS数据融合 高性能计算 人机交互界面设计
分类号: TN011.8
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


本文采用球坐标FDTD方法来对地球—电离层波导系统进行极低频/超低频(ELF/SLF)电磁建模与分析,论文的创新点和主要研究工作如下:一.针对球坐标FDTD方法,设计建立了波导系统的二维、三维几何模型,并严格推导相应的FDTD迭代方程以及算法的稳定性条件,同时在不同仿真实验中进行了验证;二.针对传统FDTD方法的耗时多,计算速度慢的特点,我们采用了晶格合并技术对南北极附近的晶格进行合并,降低了极点区域的晶格密度,较大幅度地增加了FDTD时间步,提高了运算速度;三.提出了两种局部区域高分辨率的建模技术,分别对直角坐标系和球坐标系下非均匀FDTD方法进行局部区域高分辨率建模,可以任意改变波导系统内指定区域的网格密度,灵活提取局部区域电磁场的变化特征,满足了实际计算和测量中的高精度要求;四.率先将地理信息系统(GIS)数据、公认的全球陆地—海洋的电磁物理参数(电导率等)以及测量的电离层电导率参数模型,共同融合形成了整个地球—电离层波导系统的真实电磁模型;计算结果表明,该模型真实反映了实际的地球—电离层波导系统的电磁传播特征;五.采用高性能计算技术,对地球—电离层波导系统的ELF/SLF电磁传播进行加速计算。构造基于消息传递(MPI)机制的并行计算环境,并提出了球坐标并行FDTD的区域分割技术,有效提高了计算速度;六.进行ELF/SLF电磁仿真软件的设计工作,使得整个计算系统具有良好的人机交互界面,能够自动输出仿真结果和仿真曲线图,方便地对各种参数进行设置,满足不同用户的需求。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-8
图表清单  8-10
第一章 绪论  10-16
  1.1 研究背景和科学意义  10-11
  1.2 国内外研究现状  11-13
  1.3 作者所做的主要工作及论文内容安排  13-15
  1.4 本文的结构安排  15-16
第二章 地球—电离层波导系统的基本电磁建模与分析  16-54
  2.1 地球—电离层波导系统的基本概念  16
  2.2 基于二维球坐标FDTD 方法的地球—电离层波导系统的电磁建模  16-29
    2.2.1 二维球坐标FDTD 方法  17-21
    2.2.2 二维球坐标的FDTD 方法的边界条件和稳定条件  21-22
    2.2.3 一种增大球坐标FDTD 时间步的方法  22-27
    2.2.4 一些计算结果与分析  27-29
  2.3 基于三维球坐标FDTD 方法的地球—电离层波导系统的电磁建模  29-49
    2.3.1 三维球坐标FDTD 方法  30-34
    2.3.2 三维球坐标FDTD 方法的边界条件和稳定条件  34-36
    2.3.3 电离层电导率的引入  36-38
    2.3.4 陆地—海洋的电导率的引入  38-42
    2.3.5 舒曼谐振的介绍与仿真  42-44
    2.3.6 一些计算结果与分析  44-49
  2.4 全球ELF/SLF 系统仿真软件  49-53
  2.5 本章小结  53-54
第三章 局部区域高分辨率的地球—电离层波导系统建模与分析  54-71
  3.1 局部区域晶格精细化的必要性  54
  3.2 基于直角坐标FDTD 的局部区域高分辨率ELF/SLF 电磁建模  54-58
    3.2.1 直角坐标FDTD 的建模思路  54-55
    3.2.2 局部区域ELF/SLF 系统仿真软件  55-58
  3.3 基于球坐标非均匀FDTD 的局部区域高分辨率ELF/SLF 电磁建模  58-69
    3.3.1 基于球坐标非均匀FDTD 的局部区域高分辨率ELF/SLF 电磁建模的意义  59-60
    3.3.2 球坐标非均匀FDTD 方法及其稳定条件  60-65
    3.3.3 一些计算结果与分析  65-69
  3.4 本章小结  69-71
第四章 基于球坐标并行FDTD 的ELF/SLF 电磁仿真  71-82
  4.1 引入球坐标并行FDTD 的必要性  71
  4.2 基于消息传递（MPI）机制的球坐标并行FDTD 方法的实现  71-80
    4.2.1 基于MPI 的并行计算环境的搭建  71-74
    4.2.2 球坐标并行FDTD 的区域分割方法  74-75
    4.2.3 一些计算结果与分析  75-77
    4.2.4 球坐标并行FDTD 的并行性能分析与改善  77-80
  4.3 本章小结  80-82
第五章 全文总结与展望  82-85
  5.1 全文总结  82
  5.2 后续研究工作展望  82-85
参考文献  85-89
致谢  89-90
在学期间的研究成果及发表的学术论文  90-91

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 一般性问题 > 基础理论 > 电波传播、传播机理 > 超低频电波传播
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