Luận Án Tiến Sĩ: Phương Pháp Tích Phân Nhanh Cho Lan Truyền Và Tán Xạ Sóng Điện Từ

Luận án tiến sĩ nghiên cứu kỹ thuật tích phân tăng tốc giải quyết bài toán lan truyền và tán xạ sóng điện từ, ứng dụng hiệu quả trong lĩnh vực điện tử viễn thông.

Trường đại học

Dublin City University

Chuyên ngành

Electronic Engineering

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

dissertation

2014

201
4
0

Phí lưu trữ

55 Point

Tóm tắt

I. Phương Pháp Tích Phân Nhanh

Phương pháp tích phân nhanh là một kỹ thuật toán học hiệu quả được sử dụng để giải quyết các vấn đề liên quan đến lan truyền sóng điện từtán xạ sóng điện từ. Phương pháp này dựa trên việc rút gọn hệ thống phương trình tích phân phức tạp thành một hệ thống nhỏ hơn, giúp giảm thiểu thời gian tính toán mà vẫn đảm bảo độ chính xác cao. Kỹ thuật tích phân này đặc biệt hữu ích trong việc mô phỏng và phân tích các hiện tượng sóng điện từ trong môi trường đô thị và nông thôn.

1.1. Ứng dụng trong lan truyền sóng điện từ

Phương pháp tích phân nhanh được áp dụng để giải quyết các vấn đề lan truyền sóng điện từ trong các môi trường phức tạp như đô thị và nông thôn. Bằng cách sử dụng các hàm cơ sở chung và kỹ thuật ghép nối đơn giản, phương pháp này giúp nén hệ thống phương trình ban đầu, giảm số lượng ẩn số và tăng hiệu quả tính toán. Điều này đặc biệt quan trọng trong việc mô phỏng sóng điện từ qua các địa hình không đồng nhất.

1.2. Giải quyết vấn đề tán xạ sóng điện từ

Trong việc giải quyết các vấn đề tán xạ sóng điện từ, phương pháp tích phân nhanh cung cấp một cách tiếp cận hiệu quả để tính toán các hệ số tán xạ và phân tích sự phân bố năng lượng sóng. Phương pháp này giúp giảm độ phức tạp tính toán bằng cách sử dụng các kỹ thuật tăng tốc phổ, đặc biệt trong các bài toán liên quan đến bề mặt gồ ghề và môi trường mất mát.

II. Lan Truyền Sóng Điện Từ

Lan truyền sóng điện từ là một hiện tượng quan trọng trong lĩnh vực điện tử và viễn thông. Việc mô phỏng và phân tích sự lan truyền sóng trong các môi trường khác nhau đòi hỏi các phương pháp toán học chính xác và hiệu quả. Phương pháp tích phân nhanh đã được chứng minh là một công cụ mạnh mẽ trong việc giải quyết các vấn đề này.

2.1. Mô hình hóa lan truyền sóng trong đô thị

Trong môi trường đô thị, lan truyền sóng điện từ bị ảnh hưởng bởi các tòa nhà và cấu trúc phức tạp. Phương pháp tích phân nhanh giúp mô hình hóa chính xác sự lan truyền sóng bằng cách sử dụng các phương trình tích phân bề mặt và kỹ thuật tăng tốc phổ. Điều này giúp giảm thiểu thời gian tính toán mà vẫn đảm bảo độ chính xác cao.

2.2. Lan truyền sóng trong môi trường nông thôn

Trong môi trường nông thôn, lan truyền sóng điện từ thường bị ảnh hưởng bởi địa hình gồ ghề và các yếu tố tự nhiên. Phương pháp tích phân nhanh cung cấp một cách tiếp cận hiệu quả để mô phỏng sự lan truyền sóng qua các địa hình phức tạp, giúp dự đoán chính xác các thông số truyền sóng như suy hao đường truyền.

III. Tán Xạ Sóng Điện Từ

Tán xạ sóng điện từ là một hiện tượng quan trọng trong việc nghiên cứu sự tương tác giữa sóng điện từ và các bề mặt vật lý. Phương pháp tích phân nhanh cung cấp các công cụ toán học hiệu quả để giải quyết các bài toán tán xạ phức tạp.

3.1. Tán xạ từ bề mặt gồ ghề

Tán xạ sóng điện từ từ các bề mặt gồ ghề là một bài toán phức tạp đòi hỏi các phương pháp tính toán hiệu quả. Phương pháp tích phân nhanh giúp giảm độ phức tạp tính toán bằng cách sử dụng các kỹ thuật tăng tốc phổ và các hàm cơ sở chung. Điều này giúp tính toán chính xác các hệ số tán xạ và phân tích sự phân bố năng lượng sóng.

3.2. Ứng dụng trong môi trường mất mát

Trong các môi trường mất mát, tán xạ sóng điện từ đòi hỏi các phương pháp tính toán chính xác để đảm bảo sự bảo toàn năng lượng. Phương pháp tích phân nhanh cung cấp các công cụ hiệu quả để giải quyết các bài toán này, đặc biệt trong việc tính toán các hệ số phản xạ và hấp thụ sóng.

21/02/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

A dissertation submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy in the Dublin City University Accelerated integral equation techniques for solving EM wave propagation and scattering problems Dung Trinh, M. Conor Brennan School of Electronic Engineering Dublin City University April 2014 Dissertation Committee: Dr. Conor Brennan, supervisor Prof. Claude Oestges Prof.

Liam Barry Dr. Noel Murphy i To my family ii Declaration I hereby certify that this material, which is now submit for assessment on the programme of study leading to the award of Doctor of Philosophy is entirely my own work, that I have exercised reasonable care to ensure that the work is original, and does not to the best of my knowledge breach any law of copyright, and has not been taken from the work of others save and to the extent that such work has been cited and acknowledged within the text of my work. Signed: _______________ ID No. Date: April 8th, 2014 iii Acknowledgments First of all, I would like to express my sincere gratitude to my supervisor, Dr.

This dissertation would not have been possible without his continuous and patient guidance from the beginning of my experience as a master student in the Dublin City University through my preparation and completion of this dissertation. I also would like to thank my other committee members: Prof. Claude Oestges, Prof. Liam Barry and Dr.

Noel Murphy for their valuable comments on the dissertation. In the RF propagation modeling and simulation group, I would like to acknowledge all former and current members for sharing their knowledge: Marie Mullen, Patrick Bradley and Vinh Pham. Finally, I would like to express my deepest gratitude to all my family and my girlfriend for their support, encouragement throughout my life. iv Contents Declaration iii Acknowledgments iv 1 Introduction 1 1.1 EM wave propagation in rural and urban areas .2 EM wave scattering from random rough surfaces.

8 2 Integral Equation Formulations 10 2.1 Maxwell’s equations and the scattering problem .2 Surface Integral Equations for homogeneous scatterers .1 Surface equivalence principle .2 Surface Integral Equations for homogeneous scatterers .3 Method of Moments .4 Wave scattering from infinite cylinders .1 TM-wave scattering from homogeneous dielectric cylinders [1, 2] .2 TE-wave scattering from homogeneous dielectric cylinders .5 3D wave scattering problem formulation .1 Scattered field in the far zone. 43 3 Improved Tabulated Interaction Method for Electromagnetic Wave Scattering From Lossy Irregular Terrain Profiles 46 3.2 Wave scattering from 1D dielectric surfaces .3 The Improved Tabulated Interaction Method .1 Basis function definition .2 Derivation of ITIM linear system .4 Derivation of underpinning approximations .2 Interaction between groups .3 Two-level Improved Tabulated Interaction Method (TL-ITIM) .5 Calculation of pathloss and computational complexity .1 Rural terrain profile .2 Mountainous terrain profile .7 Efficient numerical method for computing ITIM basis functions .1 Complexity Analysis of the New FFT Based Method .3 Investigation of convergence versus problem size .4 Convergence comparison with Krylov methods. 81 4 Fullwave Computation of Path Loss in Urban Areas 82 4.2 Description of the algorithm for extracting vertical plane profiles from 3D city map .3 The Generalized Forward Backward Method (GFBM) .1 Accuracy of the forward scattering assumption .2 Comparison with slope diffraction method and measurement data. 94 5 Improved Forward Backward Method with Spectral Acceleration for Scattering From Randomly Rough Lossy Surfaces 95 5.1 Forward Backward Method .2 Improved Forward Backward Method .3 Reduction of computational complexity of improvement step .4 Spectral Acceleration of matrix-vector products .5 Scattered wave, Normalised Bistatic Scattering Coefficient, Emissiv- ity and Brightness temperature .6 Absorptivity, Reflectivity and Energy Conservation Check .1 Gaussian Correlation Function .2 Exponential Correlation Function .3 Emissivity and energy conservation .4 Comparison against measurement data.

117 vi Contents 6 Block Forward Backward Method with Spectral Acceleration for Scattering from Two Dimensional Dielectric Random Rough Surfaces 120 6.2 Block Forward Backward Method with Spectral Acceleration .1 Wave scattering by dielectric surfaces .2 Tapered incident wave .3 Block Forward Backward Method .1 A brief review of Forward Backward Method for 2D Ran- dom Rough Surface Scattering .2 Block Forward Backward Method for 2D Random Rough Surface Scattering .4 Spectral Acceleration (SA) for 2D lossy surface .5 Normalized Bistatic Scattering Coefficient, Emissivity and Bright- ness Temperature .6 Absorptivity, Reflectivity and Energy Conservation Check .1 Comparison against 2D model and measurement data .2 Convergence of the BFBM-SA .3 Emissivity, Reflectivity and Energy Conservation. 148 7 Conclusions 150 Appendix A 154 Appendix B 157 Appendix C 158 Appendix D 175 Publications 177 Bibliography 178 vii Abstract This dissertation focuses on the development of the robust, efficient and accurate numerical methods of EM wave propagation and scattering from urban, rural areas and random rough surfaces. There are four main contributions of this dissertation. - The Improved Tabulated Interaction Method (ITIM) is proposed to compute EM wave propagation over lossy terrain profiles using a coupled surface integral equation formu- lation.

The ITIM uses a common set of basis functions in conjunction with a simple matching technique to compress the original system to a reduced system containing con- siderably smaller number of unknowns and therefore provide a very efficient and accurate method. - Initial efforts in using the full-wave method to compute EM wave propagation over urban areas. The un-accelerated full-wave method has a massive computational burden. In order to reduce the computational complexity, Generalized Forward Backward Method (GFBM) is applied (note that the conventional Forward Backward Method diverges in this scenario).

- The Improved Forward Backward Method with Spectral Acceleration (FBM-SA) is pro- posed to solve the problem of 2D wave scattering from random lossy rough surfaces. - An efficient and accurate iterative method is proposed for computing the 3D wave scat- tering from 2D dielectric random rough surfaces. The proposed method referred to as the Block Forward Backward Method improves the convergence of the 3D FBM, makes it converge for the case of 2D dielectric surfaces. In addition the Spectral Acceleration is also modified and combined with the BFBM to reduce the computational complexity of the proposed method.

viii List of Figures 1.1 Illustration of full 3D ray tracing method.2 Illustration of horizontal and vertical ray tracing method.3 Illustration of Soil Moisture Active Passive (SMAP) mission, scheduled to launch.by NASA in 2014 [3] .1 Classification of integral equation formulations used in this dissertation .2 The scattering Problem .5 Equivalent exterior problem associated with the homogeneous object in Figure 2.6 Equivalent interior problem associated with the homogeneous object in Figure 2.7 An infinite cylinder illuminated by an incident wave (a) Infinite cylinder (b) Cross section of the infinite cylinder .8 Discretisation of the cylinder contour (a) A cylinder illuminated by an in- cident wave (b) Cylinder contour is divided into cells .9 Evaluation of the diagonal elements of impedance matrix .10 Example of one-dimensional randomly rough surface .11 Example of two dimensional dielectric rough surface profile illuminated by an incident wave .12 Near and far field geometry .1 Wave impinging upon a dielectric surface .2 A terrain profile (Hjorring - Denmark) is considered to consists of connected identical linear segments.3 K + 1 direction vectors êk are defined on a reference group and are used to (k) (k) define the set of common basis functions φ0 and φ1 .4 Far Field Approximation of Incidence Field. Circular dots represent centre of Q pulse basis domains while square dot represent centre of group. x̂ is unit vector tangent to surface of group.5 Incident field on group can be expressed in terms of two plane waves with amplitudes based on linear interpolation. 59 ix List of Figures 3.6 Far Field Approximation of interaction between two groups i and j.7 Near neighbour group j is sub-divided into H sub-groups with H discreti- sations each.

Each scatters its own plane wave to group i.8 Pathloss generated by proposed method, precise solution and measured data over Hadsund terain profile. Length of profile: 8km. (a) Hadsund terrain profile, (b) Pathloss at 144M Hz with T M z Polarization.9 Pathloss generated by proposed method, precise solution and measured data over Jerslev terain profile. Length of profile: 5.

(a) Jerslev terrain profile, (b) Pathloss at 435M Hz with T M z Polarization.10 Pathloss generated by proposed method and precise solution over moun- tainous terain profile. Length of profile: 6km. (a) Wicklow terrain profile, (b) Pathloss at 300M Hz with T M z Polarization .11 Pathloss generated by proposed method and precise solution over moun- tainous terain profile. Length of profile: 6km.

(a) Wicklow terrain profile, (b) Pathloss at 300M Hz with T E z Polarization .12 Pathloss generated by proposed method and precise solution over Wicklow terain profile. Length of profile: 6km. Operating frequency: 300M Hz. (a) Pathloss generated by TL-TIM with block size of 25m, (b) Pathloss generated by standard TIM with block size of 25m, (c) Pathloss generated by standard TIM with block size of 12.13 Spectral Radius of matrix N M .14 Comparison of convergence rate between proposed method, GMRES-FFT and block-diagonal preconditioned GMRES-FFT .1 A example of transmitter, receiver and the associated intersection points.2 A example of vertical plane profile extraction from the intersection points shown in Figure 4.4 Pathloss generated by proposed method, precise solution over a sample pro- file (a) Sample profile extracted from Munich city (b) Pathloss at 945MHz with T M z Polarization.5 Map of Munich City with 3 Metro routes .6 (a) Partial map of Munich city and Metro 200 (b) Comparison between mea- surements, GFBM with forward scattering assumption and Slope Diffrac- tion Method.7 (a) Partial map of Munich city and Metro 201 (b) Comparison between mea- surements, GFBM with forward scattering assumption and Slope Diffrac- tion Method.

92 x List of Figures 4.8 (a) Partial map of Munich City and Metro 202 (b) Comparison between measurements, GFBM with forward scattering assumption and Slope Diffrac- tion Method.1 Bistatic scattering coefficient of a flat surface. root mean squared height hrms = 0.0λ and correlation length: lc = 0. (a) Flat surface (b) Bistatic scattering coefficients of the surface .2 Bistatic scattering coefficient of a rough surface. root mean squared height hrms = 0.1λ and correlation length: lc = 0.

(a) Rough surface (b) Bistatic scattering coefficients of the surface .3 Bistatic scattering coefficient of a flat surface. root mean squared height hrms = 0.5λ and correlation length: lc = 1. (a) Rough surface (b) Bistatic scattering coefficients of the surface .4 One dimensional dielectric rough surface profile z = f (x) illuminated by an incident wave .5 (a) Eigenvalues of iterative matrix M for random rough surface (b) Eigen- (2) values associated with dominant value of βn , that is the dominant error coefficients after two iterations.6 Strong and weak regions in the forward and backward scattering direction (a) Forward Scattering (b) Backward Scattering .7 Comparison of residual error norm of proposed method (IFBM-SA) and FBM-SA .8 Comparison of Run Time between IFBM-SA, reference method and FBM- SA .9 Comparison of averaged TE and TM NBSCs of proposed method and Direct Matrix Inversion (DMI) over 100 realisations. Relative dielectric constant: εr = 20+4i.

Autocorrelation function is Gaussian with Gaussian spectrum.1 Two dimensional dielectric rough surface profile z = f (x, y) illuminated by an incident wave .2 A 8λ × 8λ surface illuminated by a tapered plane wave with g = Lx/2 = Ly/2.3 A 8λ × 8λ surface illuminated by a tapered plane wave with g = Lx/3 = Ly/3.4 A 8λ × 8λ surface illuminated by a tapered plane wave with g = Lx/6 = Ly/6.7 Strong and weak regions in the FS direction .8 Case 1: Field point is NOT the first point of the block.9 Case 2: Field point is the first point of the block. 136 xi List of Figures 6.10 Comparison of the convergence rate of the proposed method (BFBM-SA) and GMRES.11 Comparison of run time to achieve the desired residual relative error ver- sus number of unknowns between BFBM-SA and GMRES-SA for the 2D dielectric problem.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Phương Pháp Tích Phân Nhanh Giải Quyết Vấn Đề Lan Truyền Và Tán Xạ Sóng Điện Từ là một tài liệu chuyên sâu tập trung vào việc ứng dụng phương pháp tích phân nhanh để giải quyết các vấn đề liên quan đến lan truyền và tán xạ sóng điện từ. Tài liệu này cung cấp các công cụ toán học hiệu quả, giúp rút ngắn thời gian tính toán và nâng cao độ chính xác trong các mô phỏng vật lý. Đây là nguồn tài liệu hữu ích cho các nhà nghiên cứu và sinh viên trong lĩnh vực vật lý sóng và điện từ học, đặc biệt khi họ cần giải quyết các bài toán phức tạp liên quan đến tán xạ và lan truyền sóng.

Để mở rộng kiến thức về chủ đề này, bạn có thể tham khảo thêm Luận văn thạc sĩ khoa học ảnh hưởng của sóng điện từ mạnh lên hấp thụ sóng điện từ yếu bởi điện tử giam cầm trong siêu mạng pha tạp, nghiên cứu sâu hơn về tương tác giữa sóng điện từ mạnh và yếu trong các hệ thống phức tạp. Ngoài ra, Luận văn thạc sĩ khoa học ảnh hưởng của sóng điện từ mạnh lên hấp thụ sóng điện từ yếu bởi điện tử giam cầm trong hố lượng tử cũng là một tài liệu đáng chú ý, khám phá hiệu ứng tương tự trong các hệ hố lượng tử. Cuối cùng, Luận văn thạc sĩ tính toán phổ động lượng của electron khi một số nguyên tử khí hiếm được đặt trong trường laser phân cực tròn cung cấp thêm góc nhìn về tương tác giữa sóng điện từ và vật chất ở cấp độ vi mô.