大区域复杂地理环境的交替方向分解抛物方程电波传播模型及其应用研究

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1、国内图书分类号：TN011密级：公开国际图书分类号：621.38西南交通大学研究生学位论文大区域复杂地理环境的交替方向分解抛物方程电波传播模型及其应用研究年级二〇一三级姓名周亮申请学位级别博士专业电磁场与微波技术指导老师廖成教授二〇一八年五月ClassifiedIndex:TN011U.D.C:621.38SouthwestJiaotongUniversityDoctorDegreeDissertationStudyontheADD-PEmethodanditsapplicationsforradiopropagationproblemsinlarge

2、geometricenvironmentGrade:2013Candidate:ZhouLiangAcademicDegreeAppliedfor:Ph.DSpeciality:ElectromagneticFieldandMicrowaveTechnologySupervisor:Prof.LiaoChengMay18,2018西南交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有

3、关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1．保密□，在年解密后适用本授权书；2．不保密☑，使用本授权书。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导老师签名：日期：日期：西南交通大学博士学位论文创新性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。本学位论文的主要创新点及特色如下：1.提

4、出了适用于三维抛物方程的交替方向分解-分步傅里叶解法(AlternativeDirectionDecomposition-SplitStepFourierTransformation,ADD-SSFT)。通过将衍射相位因子分解成为相互独立的两个因子与常数项的乘积，把三维抛物方程模型的维度降低至二维，从而将计算量较大的面积分简化成为数个线积分。通过交换相邻步进上计算顺序的方式，将抛物方程法的计算量降低至原来的一半。此外，在传播环境随距离变化显著的场景中，这种空间分解的抛物方程模型能够在不增加计算量的同时提升求解精度，因此其更适用于大区域地理环境中的电波传

5、播预测。2.提出了适用于SSFT解法的高效时域抛物方程模型。采用幅相分离的方式，将自由空间波前的时延作为时域观察窗口的起始点，有效降低了远距离传播问题的计算频点数，从而显著降低时域脉冲求解的计算量，实现了基带脉冲的时域计算。此外，提出了时域抛物方程模型的高载频窄带信号的包络求解方法，降低了时域脉冲综合的计算量。在此基础上，提出了抛物方程与时域有限差分的结合算法，形成“区域-平台-器件”一体化的电磁模拟算法，实现了对大区域传播场景中精细结构的电磁特性的快速求解。3.提出了适用于隧道环境的抛物方程SSFT求解方法。采用交替方向分解来实现隧道横纵边界的分离，

6、以此考虑弧形隧道顶壁对电波传播带来的影响；通过等效的反射系数来处理隧道壁所产生的额外损耗；此外，针对实际隧道环境中既存在直线段又存在弧线段的场景，根据曲率半径的大小将隧道分解为多个直线段和圆弧段，采用步进面扭转的方法来考虑隧道的曲率效应。将步进面沿着传播方向进行剖分，模拟真实隧道环境中的“回音壁”现象。结合空间分集技术来优化天线结构参数、布置位置、激励相位等参数，以此来改善电波在隧道环境中的分布特性。4.抛物方程算法的其他改进研究。改进了抛物方程模型的初始场建模方法，通过方向图的导入方法实现了真实辐射源的动态建模；改进了抛物方程地理环境的电磁建模方法，

7、将自适应分类算法应用到地物媒质的分类识别中，实现地理高程、地物电参数的一体化建模。提出柱坐标系中的抛物方程SSFT求解算法，突破直角坐标系中三维抛物方程方位角的限制，实现了全向辐射源的电磁辐射特性分析。学位论文作者签名：日期：西南交通大学博士研究生学位论文第I页摘要随着无线技术的迅猛发展，区域环境中雷达、基站、导航等无线设备的日益增加，使得环境中电磁信号愈为复杂多变，设备之间的电磁兼容问题也变得愈发突出。此外，地理环境会使无线电波在传播过程中产生散射、折射和衍射等效应，显著影响着电磁波的空间分布态势，从而影响无线设备的工作性能。为了实现区域环境中的频谱

8、管理、无线信道分析、雷达探测盲区预测及设备的可靠性分析，就需要对高效率、高置信度的电波传播计算