FDTD在等离子体与电磁波相互作用的研究

论文摘要

近年来,随着人们对高超声速飞行器在临近空间飞行时周围形成的等离子体鞘套对其雷达散射特性的影响以及飞船返回舱进入大气层时发生的“黑障”现象的关注,电磁波与等离子体之间的相互作用引起了人们极大的兴趣。本课题来源于国家重点基础研究发展计划（973计划）“临近空间高速飞行器等离子鞘套下信息传输理论基础”项目子课题“动态等离子鞘套与电磁波相互作用机理研究”。研究目的是建立电磁波与等离子体之间相互作用的仿真模型、探索电磁波与等离子体之间的相互作用规律,为克服高超声速目标识别以及“黑障”现象提供参考依据。本文针对电磁波与等离子体之间的相互作用展开研究,以时域有限差分（FDTD）方法为基础,推导了统一适用于求解不同介质类型电磁问题的高阶算法,对电磁波在等离子体中的传输特性、激波管中高温流场分布、高温绕流对本体目标雷达散射特性的影响以及目标对涡旋电磁波的散射特性等进行了系统的研究。主要工作及成果概括如下:1、适用于不同介质类型的统一介电系数形式高阶FDTD方法的研究。通过将电导率与描述等离子体介电系数的Drude模型相结合,形成了可以描述不同介质介电参数统一形式的Drude模型;对几种不同的色散介质FDTD方法对此模型的求解过程进行了推导,形成了相应的高阶算法;对各方法的计算结果进行了验证并对比了不同方法的计算精度及效率,为研究不同电磁问题时的算法选择提了供参考依据。2、激波管中流场分布特性的研究。建立了不同尺寸的激波管模型,对其进行流场网格划分并获得了高质量的计算网格;采用双温度和七组元化学反应模型对激波管中流场的分布特点进行了研究;通过改变激波管膜片两侧气体的压强和温度获得了激波传播过程中不同时刻的流场分布;采用在激波管低压段中放置高超声速目标缩比模型的方式,模拟了高超声速目标被等离子体鞘套包覆情形,得到了目标及其周围高温绕流流场的复合模型。3、斜入射太赫兹波与等离子体的相互作用研究。针对“黑障”现象,研究采用高频电磁波克服“黑障”现象的可行性。结合通信时发射天线发射的电磁波经等离子体鞘套到达接收天线传输过程中电磁波传播方向与等离子体鞘套之间的相对位置关系,建立了太赫兹波以一定入射角度在等离子体层中的传输模型;通过分界面波矢量的切向分量连续这一定律将二维情形下太赫兹波在等离子体中传输过程等效为准一维情形,采用移位算子时域有限差分（SO-FDTD）方法求解等效后的微分方程,大大降低了问题的复杂性,节省了计算资源;针对高超声速飞行器在不同飞行高度时其周围等离子体鞘套电子数密度的分布特点建立了相应分布形式的等离子体层,研究了太赫兹波在不同电子数密度分布形式等离子体层中的传输特性,对影响传输特性的各参量进行了分析。理论表明太赫兹波可以有效克服“黑障”现象,但是具体选用通信频率时应选择高传输系数频段并且根据通信条件的特点排除吸收系数峰值对应的频率。4、电磁波在激波管等离子体中传输实验系统仿真模型的建立。采用高阶Z变换时域有限差分（ZT-FDTD）方法建立了天线-激波管-天线系统仿真模型,将激波管仿真得到的激波后高温流场参数转化为等离子体参数后填充到仿真模型中的等离子体区域,研究了电磁波在其中的传输特性,并对激波运动到不同位置时电磁波在其后等离子体中的传输系数进行了计算并对所得计算结果进行了分析。5、模拟等离子体鞘套包覆目标电磁散射特性的研究。通过在激波管低压段中放置高超声速飞行器缩比模型,在激波通过后获得了目标及其周围高温绕流流场的复合模型,将该复合模型进行提取并引入到开域空间建立了相应的电磁散射模型,采用高阶辅助微分方程时域有限差分（ADE-FDTD）方法计算了该复合目标的雷达散射截面并与本体目标计算结果进行了对比,对目标周围高温绕流流场对其雷达散射特性的影响进行了分析。6、目标对涡旋电磁波散射特性的研究。基于涡旋电磁波各场分量在其坐标系下的展开形式,通过坐标转换将实验室坐标系计算空间中各点坐标转换到电磁波束所在坐标系下得到了相应位置上涡旋电磁波的场分量值,并将其直接作为散射场公式FDTD方法中的入射场代入,在计算空间中引入了涡旋电磁波,从而实现了采用FDTD方法来研究目标对涡旋电磁波的散射问题;为提高计算精度,推导了散射场公式的高阶算法,在节省计算资源的同时得到更高的精度,分析了不同电磁波参数对散射特性的影响。结果表明,涡旋波照射下目标具有与平面波照射截然不同的电磁散射特性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号对照表
• 缩略语对照表
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 电磁波与等离子体之间相互作用研究现状
•     1.2.2 激波管中目标绕流流场仿真研究现状
•     1.2.3 涡旋电磁波散射的研究现状
•   1.3 本文主要研究内容
• 第二章 时域有限差分方法
•   2.1 引言
•   2.2 常规介质时域有限差分方法
•   2.3 空间偏导数的高阶近似
•   2.4 色散介质时域有限差分方法
•     2.4.1 色散介质介电系数的频域模型
•     2.4.2 ZT-FDTD
•     2.4.3 SO-FDTD
•     2.4.4 ADE-FDTD
•     2.4.5 PLRC-FDTD
•     2.4.6 雷达散射截面
•     2.4.7 各方法验证及对比
•   2.5 本章小结
• 第三章 激波管中流场特性
•   3.1 引言
•   3.2 激波管内流场计算基础理论
•     3.2.1 热力学平衡与非平衡
•     3.2.2 热力学温度模型
•     3.2.3 化学平衡与化学非平衡
•     3.2.4 控制方程
•     3.2.5 化学反应模型
•     3.2.6 理想激波管流动的物理描述
•     3.2.7 基本理论在激波管中的应用
•   3.3 激波管模型及化学反应验证
•     3.3.1 激波管模型验证
•     3.3.2 化学反应模型验证
•   3.4 激波管不同初始条件下流场分布
•   3.5 激波管中目标周围流场分布
•   3.6 本章小结
• 第四章 电磁波与等离子体的相互作用研究
•   4.1 引言
•   4.2 太赫兹电磁波在等离子体中的传输特性
•     4.2.1 太赫兹波在等离子体中传输模型及计算公式
•     4.2.2 斜入射准一维波方程FDTD的稳定性条件
•     4.2.3 传输特性计算结果
•   4.3 流场模型与电磁模型的耦合
•   4.4 等离子体频率及碰撞频率的计算
•   4.5 电磁波在激波管等离子体中传输的三维模型
•     4.5.1 激波管等离子体仿真模型
•     4.5.2 激波管中均匀等离子体情形
•     4.5.3 激波管中非均匀流场情形
•   4.6 激波管中目标散射特性研究
•   4.7 本章小结
• 第五章 目标对涡旋电磁波散射问题的研究
•   5.1 引言
•   5.2 散射场公式
•   5.3 任意入射电磁场的数学描述
•   5.4 目标对拉盖尔-高斯涡旋电磁波散射问题的研究
•     5.4.1 拉盖尔-高斯涡旋电磁波束的展开形式
•     5.4.2 数值结果与分析
•   5.5 目标对贝塞尔涡旋电磁波散射问题的研究
•     5.5.1 贝塞尔涡旋电磁波束的展开形式
•     5.5.2 数值结果与分析
•   5.6 本章小结
• 第六章 总结与展望
•   6.1 本文总结
•   6.2 未来工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介

文章来源

类型: 博士论文

作者: 陈安涛

导师: 韩一平

关键词: 时域有限差分法,激波管,等离子体,涡旋电磁波,散射场

来源: 西安电子科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑,信息科技

专业: 物理学,物理学,航空航天科学与工程,无线电电子学

单位: 西安电子科技大学

分类号: V419;O53;O441.4

DOI: 10.27389/d.cnki.gxadu.2019.003092

总页数: 159

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