复杂冷等离子体电磁散射改进的FDTD方法研究

摘要

含等离子体目标的电磁散射特性在雷达隐身及电子对抗领域中具有非常重要的研究意义。近年来，在对含等离子体目标的电磁散射特性的研究中，时域有限差分(FDTD)方法应用甚广。从等离子体的本构方程出发，国内外学者先后提出了许多种改进的FDTD方法。 在前人的基础上，论文利用一种基于Boris粒子模型的FDTD方法研究了三维非时变等离子体的电磁散射特性，该方法称之为Boris-FDTD方法。该方法在处理等离子体本构方程时，将Boris粒子模型原理应用于等离子体粒子模拟中。这个方法的优点是:将所有的迭代式显性化，不需要计算矩阵各元素的傅里叶变换或拉普拉斯变换，从而减少了计算量和存储量。论文首先利用Boris-FDTD方法计算无碰撞和有碰撞等离子体球的雷达散射截面(RCS)，并将结果与电流密度拉普拉斯变换时域有限差分（CDLT-FDTD）方法结果、Mie级数准确结果进行对比，验证了该方法的正确性。然后用Boris-FDTD方法计算了带有磁化等离子体尾焰的导弹的RCS，证明了Boris-FDTD方法也具备计算复杂等离子体实际目标电磁问题的能力。 然而，实际应用中的等离子体参数会随外界客观条件的改变而发生变化。越来越多的实际应用过程需要从理论上对时变等离子体模型做出研究，所以针对等离子体的研究从非时变拓展到时变是非常有必要的。论文研究了趋于理想过程的一维瞬变等离子体，首先结合非时变磁化等离子体的CDLT-FDTD方法和截断非时变等离子体的修正的近似完全匹配层(M-NPML)理论，推导出了适于分析一维瞬变等离子体电磁散射特性的FDTD方法和可以截断一维瞬变等离子体的M-NPML吸收边界条件，并验证了该方法和吸收边界的正确性。其次利用该方法研究了一维瞬变等离子体对电磁波频域特性的影响，发现瞬间出现的等离子体板对频域中的电磁波有频率偏移和新增频率点的作用。 论文的研究成果可以为非时变和时变等离子体的电磁散射特性问题的研究提供可行的算法。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景及研究意义

1．2 国内外研究现状及其发展

1．3 本文的主要工作及结构安排

1．4 本章小结

第二章 等离子体的Boris-FDTD方法理论

2．1 等离子体中的Maxwell方程组

2．2 电场E和磁场H的FDTD迭代式

2．3 电流密度向量J的FDTD迭代式

2．3．1 Boris粒子模型的原理

2．3．2 无碰撞等离子体情形

2．3．3 有碰撞等离子体情形

2．4 本章小结

第三章 Boris-FDTD方法验证及数值分析

3．1 Boris-FDTD方法验证

3．1．1 无碰撞等离子体球RCS的计算

3．1．2 有碰撞等离子体球RCS的计算

3．2 含等离子体尾焰的复杂弹体目标的电磁散射及极化特性分析

3．2．1 导弹和尾焰的三维建模

3．2．2 带有磁化等离子体尾焰的导弹的RCS

3．3 本章小结

第四章 基于FDTD的一维瞬变等离子体电磁散射特性研究

4．1 一维瞬变等离子体的FDTD方法

4．1．1 电场E和磁场H的FDTD迭代式

4．1．2 电流密度向量J的FDTD迭代式

4．2 截断一维瞬变等离子体的M-NPML吸收边界条件

4．3 FDTD方法及M-NPML吸收边界条件正确性的验证

4．3．1 一维半空间瞬变等离子体反射系数的解析解推导

4．3．2 FDTD方法及M-NPML吸收边界条件正确性的验证

4．4 一维瞬变等离子体板的数值分析及散射特性研究

4．4．1 一维瞬变非磁化无损耗等离子体板数值分析

4．4．2 一维瞬变磁化无损耗等离子体板数值分析

4．5 本章小结

第五章 总结和展望

附录

参考文献

致谢

硕士期间论文及科研情况