Altera DDR IPCore在海量图像无级缩放硬件实现系统中的应用
摘 要
异向介质（Metamaterials）是指介电常数和磁导率全部为负值的人工合成介质，其相关研究被《Science》评为了2003年和2006年年度十大科技进展。本论文立足于部队“打赢高技术条件下的现代战争”和“信息化建设”的要求，对异向介质的电磁特性以及在电磁隐身方面的应用进行深入的研究。主要通过对异向介质实现的理论分析和数值仿真两个方面，研究了异向介质的传输特性以及覆盖隐身目标的电磁散射特性，根据理论推导分析预测，结合数值仿真加以验证。研究结果对异向介质的结构设计和电磁隐身等工程应用具有一定的参考价值。
首先，用CST仿真软件设计和计算了异向介质的基本结构，并研究其传输特性。通过仿真实现了等效介电常数和等效磁导率为负值的异向介质模型。推导了NRW参数反演方法的递推式，利用计算结果反演提取了介电常数、磁导率和折射率的实部，验证了负折射率的存在。
其次，提出了一种新型的集电谐振和磁谐振于一体的双开口谐振环异向介质单元模型。通过仿真验证了新型结构的“双负效应”，针对这一模型分析讨论了参数变化对其传输特性的影响。验证了新型双开口谐振环单元周期排列组成的异向介质在特定频带内存在负的折射率。
最后，研究了异向介质在电磁隐身方面的应用。基于时域有限差分法（FDTD），用有耗Drude色散介质模型模拟异向介质，计算结果表明，异向介质覆盖金属圆柱使其前向散射增加，后向散射减小。计算了异向介质覆盖战斗机机头的三维模型的电磁散射。结果表明，异向介质覆盖后使电大目标的后向散射减小，从而验证了异向介质在电磁隐身应用中的可行性。通过选取不同介质参数，计算了异向介质的介质参数为单负或双负时的雷达散射截面（RCS），分析对比三种人造介质的散射特性。讨论了介质参数实部不变时虚部对异向介质散射特性的影响。结果表明，选取适当的异向介质覆盖层，可以在特定的宽频段内减小目标的后向RCS并增大前向RCS，起到良好的电磁波隐身作用。
关键词：异向介质；双开口谐振环；时域有限差分方法；目标隐身；电磁散射
ABSTRACT
Metamaterials are artificially structured materials with simultaneous negative permittivity and permeability. Some relevant research achievements were selected as one of the top ten Research High Lights by “Science” in 2003 and 2006 respectively. This paper is based on the army requirement that we should win the modern war under high-tech and informationization construction conditions. Some electromagnetic characteristics of metamaterials and their applications in stealth technique are studied thoroughly. The electromagnetic wave transmission of metamaterials and scattering characteristics of stealth targets coated with metamaterials are investigated with theoretical analysis and numerical simulation. Prediction is made according to theoretical derivation analysis. Conclusions are verified by numerical simulation. The results are of certain reference values in the design of the metamaterial structure and engineering applications such as electromagnetic stealth.
First, the basic structure of metamaterials are designed and simulated with CST software to study its transmission characteristics, achieving the negative effective permittivity and negative effective permeability of the metamaterial model. Recursion relations of the NRW parameter inversion are derived, and the computational results are used to extract the real part of permittivity, permeability and refractive index. The existence of negative refractive index is verified.
Second, a new type of metamaterial is proposed, which is made up of two split ring resonators and has electrical resonance and magnetic resonance in one structure. Its “double-negative effects” are verified by means of numerical simulation. The effects of parameter change on its transmission characteristics are analyzed and discussed. It is validated that the new metamaterial structure which is made up of two new types of split ring resonators has negative refractive index in a specific frequency range.
Finally, the applications of metamaterials in the electromagnetic stealth technique are presented based on finite-difference time-domain method (FDTD), and metamaterials are simulated with the lossy Drude dispersion model. The calculation results show that different metal cylinder coated with metamaterials could increase forward scattering and decrease backward scattering. The electromagnetic scattering characteristics of a fighter aircraft coated with metamaterials of three-dimensional model are computed. The results indicate that metamaterials cause the back scattering of the target to decrease. The feasibility of metamaterials in the electromagnetic stealth applications is verified. By selecting different medium parameters the electromagnetic scattering is computed when the relative permittivity or relative permeability is negative or both are negative and the scattering properties of three artificial media are analyzed and compared. The effects of the imaginary part of medium parameters on the scattering property of metamaterials are discussed with the real part of medium parameters unchanged. The results show that selecting appropriate medium coverage of the metamaterial layers could increase the targets’ forward RCS and decrease the targets’ backward RCS in a certain broadband, which takes effective part in electromagnetic stealth applications.
KEY WORDS: Metamaterials；Double split ring resonators；FDTD；Target stealth；Electromagnetic scattering
第一章 绪 论
1.1 研究背景及意义
在20世纪末爆发的一场惊心动魄的高技术局部战争中，一批批惊天动地的高技术武器装备在战场上登台亮相。透过变幻莫测的战场风云，人们发现在异彩纷呈的陆、海、空、天、电五维战场上，以电子信息技术为代表的军事高科技的应用使现代战争的面貌发生了空前巨变，这在一时间引起了整个军事领域的技术革命。随着雷达、红外、激光、声波等现代化的探测和制导技术在武器装备系统的大量应用，武器系统的探测、搜索、跟踪、攻击能力也越来越强大，这对飞机、舰艇、坦克等重型武器平台在战场上的生存带来了极大的威胁和考验。为了使目标避开雷达、红外、激光、声波等探测设备的搜索和识别，提高武器系统的生存能力和部队的战斗力，隐身技术受到了世界各军事大国的高度重视。在海湾战争中大显身手的F-117A隐形战斗机如入无人之境，轰炸了伊拉克的大部分重要军事目标，F-117A隐形战斗机一战成名，被人们称之为“空中黑色幽灵”。隐身技术成为第二次世界大战以来在军事方面最具革命性的技术发展，各国均投入巨大的人力物力对隐身技术进行探索和研究。不断涌现出新的隐身机理、新型隐身材料正朝着综合运用、权衡各种性能要求、扩展频率范围、扩展应用范围、降低成本等方向发展。
当然，异向介质材料的研究还只处于初级阶段，随着对异向介质的制备和物理特性等研究的深入，其潜在应用逐步显现。微波频段的异向介质可广泛应用于微波器件，如微波平板聚焦透镜、带通滤波器、功分器、耦合器、宽带相移器和天线等。红外频段磁响应的实现可应用于生物、保密成像、生物分子指纹识别、遥感、恶劣天气条件下的导航、微型谐振腔等。可见光频段的异向介质可以制作能突破衍射极限的透镜，因而可应用于超灵敏单分子探测器，用于探测微量污染、具有危险性的生物化学药剂、血液中表征早期疾病的蛋白质分子和进行医学诊断成像等。此外，利用异向介质的负折射和倏逝波放大特性，可以制作集成光路里的光引导元件，有望制作出分辨率比常规光学透镜高几百倍的扁平光学透镜。异向介质也有望解决高密度近场光存储遇到的光学分辨率极限问题，制作出存储容量比现有DVD高几个数量级的新型光学存储系统。随着研究的深入，这种独特的材料必将在光学、磁学、电磁存储等方面有新的突破，从而对通信、武器等方面的发展起到巨大的推动作用。因此，异向介质的传播和散射的电磁特性的研究对于异向介质的制备和应用具有重要的实际指导意义。
1.2 异向介质及其研究进展
异向介质（Metamaterials）是指介电常数ε和磁导率μ全为负值的人工合成材料，其最初的概念由前苏联科学家Veselago V G于1964年提出，他在理论上讨论了这种介质特殊的电磁特性，并将研究结果于1968年刊登在《苏联物理学进展》[1]。Veselago V G预测了在同时具有负介电常数ε和负磁导率μ的介质中传播的电磁波相位的传播方向与能量的传播方向相反。在普通介质中，麦克斯韦方程确定了一个关于电场强度E、磁场强度H和波矢量k之间的右手规则，但是当介质的介电常数ε和磁导率μ同时为负时，波矢量方向与能量方向相反，E、H、k之间形成左手规则，在异向介质与普通介质交界面的折射率也将为负值。因此，异向介质出现了许多非同寻常的电磁特性，如逆多普勒效应（Reversed Doppler effect）、逆斯涅耳定律（Reversed Snell refraction）以及逆契仑可夫辐射（Reversed Cerenkov radiation）等[ ×××××]。
当时这种介电常数ε和磁导率μ同时为负的介质并没有得到科学界的足够重视，原因是在自然界中找不到介电常数ε和磁导率μ同时为负值的物质，所以异向介质的概念在被Veselago V G提出后的几十年间一直是个假说。直到2000年，美国加州大学科学家Smith D R领导的研究小组研制出了第一块人工制备的一维异向介质[2]，并于2001年通过实验证明了电磁波斜入射到异向介质和常规介质的分界面时，折射波的方向与入射波的方向处在分界面法线的同侧，这也是首次从实验上证明了异向介质的存在，这就是著名的“棱镜实验”，其实验过程和结果随后发表在美国的《Science》杂志上[3]，而Smith D R等人突破性的工作的基础是英国帝国理工学院的Pendry J B等人的研究成果。早在1996年，Pendry J B教授就提出当金属线周期排列时，其整体周期结构的等效等离子频率将由金属细线的周期与半径的比例所决定，如果选取适当的结构参数就能够将等离子频率降到微波频段，从而在微波波段实现负的介电常数ε[4]。在此之后Pendry J B又在1999年指出周期排列开路金属谐振环（SRRs）结构具有磁等离子特性，从而磁导率μ可在一定频段内为负值[5]。Smith D R正是把Pendry J B提出的两种结构结合起来，把金属细导线按一定的周期插入到SRRs结构中，实现了介电常数ε和磁导率μ在同一频段内同时为负值。
因为Pendry J B、Smith D R等人开拓性的工作使异向介质从假说变成了现实，所以异向介质迅速引起了学术界的广泛关注，并在2003年被美国《Science》杂志评为的年度十大科技突破之一，2006年基于异向介质设计的梯度超介质实现电磁波隐形再次被美国《Science》杂志评为年度十大科技突破之一，2007年世界上最大的出版公司Elsevier创建了新期刊《Metamaterials》。
近年来，关于异向介质的研究不断有所突破，相关的研究成果相继发表在各类著名期刊杂志上，人们对异向介质的理解也在逐步加深，其所具有奇异的电磁特性及应用也被不断地发掘出来。在理论研究方面主要集中在由负折射特性引起的一系列电磁学问题及其传输特性，比如传播特性：相速度[6]、能流密度[7]、后向波[8]、负折射[9]、平板透镜成像[10]、相位补偿[11]、Goos-Hänchen位移[12]、非线性效应[13]和散射特性[14-16]等一些相关问题。异向介质的结构设计和实验验证也紧跟理论研究的步伐，各种新型的性能良好的异向介质结构相继出现，比如回字形[3]、嵌套结构[17]、Ω型[18]、S型[19]、螺旋型[20]、CSSRR结构[21]、吕字型对称环[22]等谐振环结构，其低损耗、宽频带和均匀各向同性等优良的性能指标均通过实验得到了验证。具有高品质的新型异向介质结构正在不断提出且被证实，工作波段从现在的微波频段向太赫兹频段[23]、红外频段[24]、甚至光波段扩展[25]，同时也在向KHz声波波段延伸[26]。所有理论、设计的研究必将服务于应用，由于异向介质的特殊性质，专家预测它将在高指向天线、雷达、聚焦微波波束、电磁波隐身、卫星通信等领域有着广阔的应用前景[27]。
异向介质取得的巨大实质性的突破和所具备的潜在应用前景引起了国内外的研究热潮。根据其所表现出来的电磁特性，学者们赋予这种特殊介质材料许多名称，如双负介质（DNG media：Double-Negative metamtaterials）[11]，负折射率介质（NIMs：Negative-Index Materials）[28]，左手介质（LHM：Left-Handed Material）[29]，后向波介质（BW media：Backward-Wave Media）[30]，人工复合材料（CMM：Composite Metamaterial）[31]等。美国麻省理工学院孔金瓯（Kong J A）教授详细研究了电磁波在这类介质中的特性[29][32]，建议其中文名称为“异向介质”，以描述电磁波在这种介质中传播时所表现出的不同于传统介质的各种逆向效应和奇异特性，因此本文采用“异向介质”这种称谓。
作为一门新兴学科，异向介质的研究在我国受到很大的关注。虽然国内在这方面的研究起步较晚，但经过一大批学者们孜孜不倦地探索研究，取得了很多研究成果，这一项目也在2005年被列为我国国家自然科学基金的重点项目。2002年底，在美国麻省工学院的孔金瓯教授的领导下，浙江大学成立了异向介质研究小组，开展相关的前沿研究。2003年根据麻省理工学院孔金瓯等人的理论研究结果，浙江大学电磁科学院设计实现了T型波导实验和在平板波导中的高斯波束位移测量方法[33]，对异向介质异向特性进行了验证，之后设计制作了比SRRs和Rod结构性能更加稳定的S型结构异向介质[19]，并利用异向介质与普通介质之间能量反向耦合的独特性质，设计并实现了部分填充异向介质材料的微波X波段波导耦合器。2007年，他们又研究了隐身衣的物理机制[34][35]。在对异向介质的研究方面他们走在了国内的前列。
参考文献
[1]Elishakoff I，Ren Y. J. & Shinozuka M．Variational principles developed for and applied to analysis of stochastic beams [J]．Journal of Engineering Mechanics，1996，122(6)：559-565．
[2]陈建军，车建文，陈勇．具有频率和振型概率约束的工程结构动力优化设计[J]．计算力学学报，2001，18（1）：74-80．
[3]吕西林，金国芳，吴晓涵．钢筋混凝土结构非线性有限元理论与应用[M]．上海：同济大学出版社，1997：179-198．
[4]陈景润．组合数学[M]．郑州：河南科学技术出版社，1985．
[5]丁光莹．钢筋混凝土框架结构非线性反应分析的随机模拟分析[D]．上海：同济大学土木工程学院，2001．
[6]丁义明，方福康，范文涛．离散动力系统的密度演化方法[C]．见：许国志主编．系统科学与工程研究．上海：上海科技教育出版社，2000：62-77．
[7]谢希德．创造学习的新思路[N]．人民日报，1998-12-25(10)．
[8]GB/T 16159-1996，汉语拼音正词法基本规则[S]．
[9]姜锡洲．一种温热外敷药制备方案[P]．中国专利：881056073，1989-07-26．
[10]王明亮．关于中国学术期刊标准化数据库系统工程的进展[EB/OL]．http://www. cajcd.edu.cn/pub/wml.txt/980810-2.html，1998-08-16/1998-10-04．
目 录
摘 要 I
ABSTRACT III
目 录 V
第一章 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 异向介质及其研究进展 2
1.3 异向介质的电磁场计算方法 5
1.4 本文主要内容及结构安排 6
第二章 异向介质基本结构等效介质参数的研究 9
2.1 实现异向介质的基本结构的理论 9
2.1.1 等效负介电常数的实现 9
2.1.2 等效负磁导率的实现 11
2.1.3 异向介质的实现 12
2.2 异向介质有效介质参数的提取方法 14
2.3 异向介质基本结构的构造 17
2.3.1 异向介质基本结构单元 17
2.3.2 结构单元周期排列的异向介质 19
2.4 本章小结 21
第三章 新型异向介质的模拟仿真 22
3.1 新型双开口谐振环 22
3.1.1 结构模型 22
3.1.2 模拟仿真 23
3.1.3 结果分析 24
3.2 参数改变对异向介质结构单元传输特性的影响 25
3.2.1 开口和闭合的影响 25
3.2.2 环宽度、环开口和环厚度的影响 27
3.2.3 横杆位置的影响 29
3.2.4 电磁场方位的影响 30
3.2.5 介质基板两侧刻蚀的影响 33
3.3 由双开口谐振环单元组成的异向介质 34
3.4 本章小结 35
第四章 异向介质在电磁波隐身中的应用 37
4.1 异向介质实现折射隐身机理 37
4.1.1 通过麦克斯韦方程的坐标变换控制电磁场方向 38
4.1.2 基于坐标变换的介质本构 39
4.2 含异向介质目标电磁散射特性的FDTD分析 41
4.2.1 异向介质的Drude模型 41
4.2.2 二维异向介质的FDTD递推式 41
4.2.3 Drude模型异向介质的电磁特性FDTD分析 44
4.2.4 异向介质覆盖三维电大目标的电磁散射 48
4.3 异向介质散射特性的对比分析 49
4.3.1 三种人造介质的电磁散射特性对比 50
4.3.2 介质参数的虚部对异向介质散射特性的影响 52
4.4 本章小结 56
第五章 结论与展望 57
致 谢 59
参考文献 64
附 录 65
