目标与背景(例如海面与海上目标)的复合电磁散射问题的研究,对于微波遥感、目标探测与识别等领域具有十分重要的理论意义和实际应用价值。电磁散射问题的分析方法有理论研究、实验测量和数值仿真。理论研究仅能对少量的目标给出解析解、实验测量受到各种条件的限制例如费用昂贵或难以进行。数值仿真有很大的灵活性,是目标特性研究的重要辅助手段,在对非合作目标电磁特性的研究中,基本上是主要的依靠手段。考虑到实际情形,复合目标一般是超电大尺寸的复杂目标。一般情形下数值算法例如矩量法、有限元和时域有限差分方法等都难以满足实际问题的需求。对于电尺寸十分巨大的复合目标,采用高频近似的方法是一个很好的解决方案。本文采用解析积分方案改进了现有的时域弹跳射线(Time Domain Shooting and Bouncing Ray,TDSBR)算法,使计算中积分区域的尺度不再依赖于电磁波频率。采用KD-Tree对射线与三角面片求交进行加速,明显的提高了计算效率。进一步,实现了基于MPI(Message Passing Interface)的TDSBR并行计算,并在天河二号上计算了超电大目标与背景的复合电磁散射问题。本文的探索,对于开发自主、可控的高频电磁计算软件,支撑我国复杂环境电磁特性的仿真等方面具有基础性的意义。论文的详情和主要研究成果如下:首先,介绍了基于解析的TDSBR算法的基本原理与实现方法。根据目标的几何外形,确定虚拟孔径面,使得虚拟孔径面在入射源点下的投影能够完全遮挡住目标。根据需要,把虚拟孔径面剖分为一定数量的射线管,并且追踪所有的射线管传播过程。对射线与目标进行求交测试,找到与射线相交并且距离射线源点最近的三角面片,然后计算反射射线并更新入射源点和入射方向,直到射线不与目标相交为止,记录最后一次与射线相交的三角面元编号和交点,然后利用解析时域物理光学法(Time Domain Physical Optics,TDPO)计算该点在接收点的远区散射场。最后把所有射线管计算的散射场进行叠加得到目标的总散射场。对于与目标没有交点的初始射线管,视为无效射线管,直接舍去。其次,使用KD-Tree对TDSBR进行算法加速,明显的提高了计算效率。虽然解析的TDSBR能够计算海面与超电大目标的复合散射,但仍然存在计算量大的问题,KD-Tree主要是对射线与三角面元的求交过程进行空间加速。本文采用Stack-KD有栈遍历搜索算法和Rope-KD无栈带线索遍历搜索算法对射线追踪过程进行加速。在对射线追踪进行空间加速之前,需要构建KD-Tree,而KD-Tree质量的好坏直接影响到这两种KD-Tree搜索算法的加速效果。对于Stack-KD算法,需要建立一个堆栈,而对于Rope-KD,需要对节点的六个面添加线索。两种KD-Tree搜索算法加速效果非常明显。再次,实现基于MPI的并行计算,提高计算效率和拓展了算法的应用范围。本文设计了MPI并行实现方案。从主进程(0进程)进行射线管划分,然后把射线管信息传递到别的进程。根据射线管之间是相互独立的,将所有的射线管信息并行划分到各个线程当中去,所有的线程同时进行射线与目标的求交测试,包括KD-Tree对算法加速过程,并求得各个线程中所有射线管在接收点的远区散射总场。最后把各个进程中计算的散射总场信息传递到主进程中,然后进行信息的整合叠加,得到目标总的散射场。MPI并行技术大大提高了TDSBR算法的计算效率。国家超算天河二号的计算实际表明,本文算法有良好的兼容性和可扩展性。最后,将本文算法运用到复合目标电磁散射特性的分析。计算了地面+目标、海面+目标和海面+海面上方目标等复合目标的时域电磁散射特性。