This paper studies the PML method for wave scattering in a half space of homogeneous medium bounded by a two-dimensional, perfectly conducting, and locally defected periodic surface, and develops a high-accuracy boundary-integral-equation (BIE) solver. Along the vertical direction, we place a PML to truncate the unbounded domain onto a strip and prove that the PML solution converges linearly to the true solution in the physical subregion of the strip with the PML thickness. Laterally, we divide the unbounded strip into three regions: a region containing the defect and two semi-waveguide regions, separated by two vertical line segments. In both semi-waveguides, we prove the well-posedness of an associated scattering problem so as to well define a Neumann-to-Dirichlet (NtD) operator on the associated vertical segment. The two NtD operators, serving as exact lateral boundary conditions, reformulate the unbounded strip problem as a boundary value problem onto the defected region. Due to the periodicity of the semi-waveguides, both NtD operators turn out to be closely related to a Neumann-marching operator, governed by a nonlinear Riccati equation. It is proved that the Neumann-marching operators are contracting, so that the PML solution decays exponentially fast along both lateral directions. The consequences culminate in two opposite aspects. Negatively, the PML solution cannot exponentially converge to the true solution in the whole physical region of the strip. Positively, from a numerical perspective, the Riccati equations can now be efficiently solved by a recursive doubling procedure and a high-accuracy PML-based BIE method so that the boundary value problem on the defected region can be solved efficiently and accurately. Numerical experiments demonstrate that the PML solution converges exponentially fast to the true solution in any compact subdomain of the strip.


翻译:本文研究在半平质介质半空散布波浪的PML 方法, 以平质介质介质介质为半空间, 以二维为界, 完美地运行, 以及本地脱轨的周期表面, 并开发出一个高准确度的边界整体( BIE) 解析器。 在垂直方向上, 我们设置了一条PML 方法, 将无线域切换到带宽厚度的物理分区的真正解决方案 。 相形之下, 我们将无线平面的条形分隔成三个区域: 一个包含缺陷的区域和两个半波向导区域, 由两个垂直直线分层分层分隔的直线区域。 在半向直线的双向直线分层, 我们证明一个相联的直线边界分级的分层分层( BIB) 解码运算符的离子, 双向直径直线的双向方向( Ntal- mal) 直线的双向方向, 直线双向直线的双向方向的平流的平流的双向方向, 平流的平流的平流的平流的平流路径操作操作操作者向方向, 直流的平流的平流方向的平流的平流的平流方向, 直流的平流的平流的平流的平流的平流的平流的平流路路路路路路路路路路, 直线路路路路路路路路路路路路, 直线路路路路路路路路路路路路路路, 直线路路路路路路路路路, 直至直至直至直线路路路路路路路路路路路路路路路路路路路的平路路路路路, 直至直至直至直至直至直至直至直至直至直至直至直至直至直至直至直方的平流的平方的平方的平方的平方的平方的平方的平方的平方的平流的平流的平流路的平方的平流路的平方路的平方的平方路的平方的平方的平方

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