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二维粗糙面光散射的FDTD研究

李娟  郭立新  
【摘要】:粗糙面光散射的研究在遥感、环境监测及光学元件的无损检测等领域中都有极其重要的意义。一些解析方法和数值算法已经用于一维粗糙面的光散射研究,但是二维粗糙面的光散射特性研究更有实际应用价值。作者在先前研究一维粗糙面散射的基础上,本文再次利用时域有限差分法(FDTD)来分析二维粗糙面光散射特性。与其它数值算法相比,FDTD方法的优点在于:粗糙面可以是导体或者介质,它们的理论依据都是三维FDTD方法,差别仅在于粗糙面位置处电磁参数的不同。文中采用单轴完全匹配(UPML)层作为FDTD计算区域的最外层,由于在UPML层中的电磁波满足Maxwell方程,所以UPML层中的差分公式对整个FDTD计算区域都是使用的,这使得FDTD算法更容易编程实现。论文首先给出了计算二维高斯粗糙面光散射的FDTD基本理论,包括连接边界处入射平面波的加入,UPML吸收边界条件的设置以及外推边界处近场到远场的转化。然后数值计算了二维导体、介质粗糙面的光散射特性,且与基尔霍夫近似法的结果进行了比较且具有很好的一致性,这验证了FDTD方法计算二维粗糙面光散射的可行性。最后讨论了粗糙表面均方根高度、相关长度、介电常数以及电导率对二维粗糙面光散射特性的影响。由于随着粗糙面的尺寸的增大,未知量的个数急剧增大,传统FDTD算法的计算效率将明显下降,采用并行FDTD算法研究二维粗糙面光散射将显得尤为重要,这也是我们下一步工作的重点。

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