基于FDTD的卫星太阳能翼板高功率耦合分析

摘要

随着航空航天技术的发展，人造地球卫星越来越受到各国的重视。卫星作为一种重要的通信导航、科学探测以及天气预报设施，在人们的日常生活中起到了至关重要的作用。卫星太阳能翼板作为卫星的重要供能设备，为卫星的持续性工作提供了保障。高功率微波(HPW)武器作为一种新型武器，近些年来有着长足的发展。时域有限差分算法(FDTD)作为一种全波算法，以其物理概念清晰、易于实现、天然并行等优点，目前在各个工程领域得到了广泛的应用。针对未来战争中高功率微波武器可能对卫星进行打击，本文采用了时域有限差分算法对卫星太阳能翼板在高功率微波作用下进行了高功率耦合分析。本文主要的工作由以下四个方面构成： 首先，介绍了传统FDTD方法的求解过程，详细推导了基于Yee网格的三维时域有限差分的迭代方程，研究了一种基于超越函数的改进型完全匹配层(PML)技术，给出了各个方向上吸收边界电磁参数的设置方法，该种方法统一了计算区域和吸收边界内的迭代公式。然后研究了平面波引入技术，给出了总场-散射场边界的处理方法，并给出了相应的数值仿真算例来加以证明。 其次，针对复杂多尺度目标的网格剖分问题，采用“有向体积”算法开发出了一种适应于Yee网格的新型网格剖分技术。该种方法相较于传统的网格剖分方法在剖分速度上有着较大的提升，实现了复杂目标的自适应剖分。同时，采用微软基础类库(MFC)技术自主开发出了一套网格剖分软件，实现了剖分过程可视化。最后给出了相应的剖分算例以及数值算例来证明我们提出的网格剖分方法的有效性。 然后，对FDTD中的散射问题进行了研究，重点介绍了FDTD散射计算模型，对计算远区电磁场涉及到的近-远场外推技术进行了详细的推导，给出了利用近-远场外推技术计算目标雷达散射截面(RCS)的流程，最后给出了相应的二维、三维数值算例来证明我们所编写的程序的正确性。 最后，对卫星太阳能翼板在高功率微波作用下进行了高功率耦合分析。着重分析了单单元卫星太阳能翼板、四单元卫星太阳能翼板以及十六单元卫星太阳能翼板在不同入射方向、不同极化形式以及不同上升沿的高功率脉冲作用下的耦合电压、耦合电流以及双站雷达散射截面。最后研究了基于OpenMP的并行FDTD，将其与传统FDTD进行比较，证明了并行FDTD在计算效率上的提升。

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