电磁波在等离子体鞘套中传播的非线性效应研究

摘要

高速飞行器在飞行再入大气的过程中，一般飞行速度都会达到十几马赫，在飞行器的头部（与空气接触）的地方会形成一种激波。激波与飞行器头部之间的温度极高，这样就会导致包覆在飞行器周围的空气电离，形成一个等离子体层，同时由于很高的温度，会使飞行器表面的隔热材料发生烧蚀，产生烧蚀颗粒，等离子体与烧蚀颗粒共同混合，即所谓的“等离子鞘套”。鞘套的产生严重影响了飞行器与地面站通信。
　　等离子体鞘套本质是由等离子体构成的，但与普通的等离子体相比，自身又具有非常复杂的特性，例如时变，非线性以及边界效应等等。电磁波在等离子体鞘套中的传播与相互作用机理对高超声速飞行器再入通信有着很重要的作用。在地面站与飞行器通信时，当大功率电磁波入射到等离子鞘套中时，大功率电磁波的热效应会使电子温度发生改变，进而影响等离子体的电磁特性。同时等离子体鞘套中气体的湍流结构的存在，也会对电波传播造成极大的影响。本文针对电磁波在等离子体中的衰减，自相互作用以及湍流对电波的影响三个方面开展了研究。
　　1．等离子体中波的衰减非线性效应。论文在分析等离子体鞘套介电常数的基础上推导了线性衰减的衰减系数以相位常数的表达式，并将其推广到非线性衰减的情况，在考虑非线性响应的基础上，推导了衰减常数以及相位常数的表达式，并对两种情况进行了仿真对比分析；建立鞘套传输矩阵模型，计算鞘套中的反射系数以及透射系数，分析其随着入射波频率和碰撞频率的变化规律。
　　2．电磁波在等离子体鞘套中的自相互作用。建立电磁波在鞘套中传播时电磁波对电子的加热模型，推导电子温度、碰撞频率以及介电常数随着入射波振幅变化的表达式，并对仿真结果进行了详细的分析，得出了入射波场对鞘套参数的影响。考虑到等离子体也会对入射到其中的电磁波产生作用，影响电磁波在鞘套中的传播问题，建立了电磁波在等离子体鞘套中相互作用模型，通过仿真计算了自作用因子，分析了场振幅随着入射场强的变化规律。
　　3．等离子体鞘套中分形湍流对电波传播的影响。首先介绍了等离子体鞘套中的分形以及分形维数，引进分形相位屏进行建模，并对透过相位屏的衍射强度进行了仿真计算，再此基础上将一维分形相位屏推广到二维，对二维分形相位屏进行了模拟，并且对平面波透过二维相位屏的衍射进行了分析。

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第一章 绪论

1.1研究背景以及意义

1.2电磁波在等离子体鞘套中非线性效应研究现状

1.3论文的内容安排以及创新

第二章 等离子体鞘套的产生及其电磁特性基本理论

2.1等离子体鞘套基本概述

2.2关于麦克斯韦速率分布

2.3等离子体鞘套与电磁波的相互作用

2.4本章小结

第三章 等离子体鞘套中电磁波的衰减非线性效应

3.1概述

3.2等离子体介电常数

3.3电磁波在等离子体内的衰减及透射

3.4仿真结果及分析

3.5本章小结

第四章 等离子体鞘套中电磁波的自相互作用

4.1概述

4.2电磁波对等离子体加热

4.3仿真结果分析与讨论

4.4等离子体鞘套对入射电波的作用

4.5本章小结

第五章 等离子体鞘套中分形湍流对电波传播的影响

5.1概述

5.2分形以及分形维数

5.3一维布朗运动

5.4等离子体鞘套中折射率起伏功率谱

5.5鞘套中一维分形相位屏模拟及衍射分析

5.6 鞘套中二维分形相位屏仿真及衍射分析

5.7本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

致谢

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