电磁波在空间等离子体中传输与散射若干问题研究

摘要

近年来随着航天科技的飞速发展，人类已将活动领域延伸到了星际空间，空间中的等离子体环境是人类开展空间探索活动的基本环境条件。空间等离子体环境包括电离层等离子体环境、星际和外空间等离子体环境等，其对航天通信系统的影响不容忽视。在探索未知空间的活动中，人们对通信系统提出了更高的要求，而电波传播环境是通信系统中不可忽略的重要组成部分。因此空间等离子体中的电波传播问题也越来越受到学者的关注。本文以等离子体中的电波传播和散射理论为出发点，主要围绕尘埃等离子体、电离层空间碎片、电离层加热及等离子鞘套等四个方面的电波传播与散射问题开展相关研究。本文主要工作如下:
　　1.首先介绍有关电离层中等离子体环境的基本知识，分析空间等离子体对电磁波传输、散射特性产生影响的主要因素，最后根据空间等离子体中的电子密度、离子密度等经验模型，从等离子体中的电波传播理论出发，讨论了等离子体中电波传播的WKB、传输矩阵、FDTD、射线追踪等数值计算方法。
　　2.电磁波在尘埃等离子体中的传播问题是一个越来越受到广泛关注的研究课题。本文首先从空间尘埃等离子体中尘埃颗粒的充放电模型出发，将充电尘埃粒子的电磁散射考虑为中心尘埃的散射及粒子外围德拜云的散射，分析充电尘埃系统的Mie-Debye散射，研究充电平衡条件下尘埃等离子体中的带电尘埃系统电磁散射特性。最后，根据尘埃系统的充放电方程和静电平衡条件计算尘埃粒子吸附电荷数随尘埃半径的变化关系。通过相关电离层模型模拟空间环境，采用输运理论计算得到高层大气环境中尘埃等离子体层对电磁波的反射、衰减特性。计算结果表明，当电磁波波频率一定时，尘埃对电磁波衰减与电子密度、尘埃粒子密度以及尘埃粒子半径成正比。
　　3.空间碎片长期运行在空间轨道上，并随着人类航天活动的不断深入而日益增多，严重地威胁着航天器的安全。本文首先根据空间碎片增减的因素，研究空间碎片的分布模型。在电离层准抛物模型的基础上，计算扰动电离层的电子密度分布图，研究电离层不均匀体的散射特性。结合坐标的尺度变换理论分析了椭球碎片的电磁散射特性。最后，采用Born近似取不均匀体的内场为入射波，推导了扰动区域中不均匀体和空间危险碎片的双站雷达散射截面计算公式，计算结果表明，电离层不均匀体将雷达探测波的大部分能量散射到前向及其附近方向，对碎片的地基雷达探测造成极大的影响，且当电磁波频率增大时，不均匀体对碎片探测的影响将减小。
　　4.电离层是一个巨大的天然等离子体物理实验室，是无线电波传播的承载体和通道，本文分析大功率无线电波注入电离层引起电离层的局部改变。在给定的加热条件下，低电离层可以根据电子的有效复合系数研究电子密度扰动模型。而对于电离层高层区域，考虑到电子和离子漂移的影响，加热机制与低层区域有很大不同。因此，需要通过电子、离子的动力学方程、连续性方程，分别建立低电离层和高电离层的电子密度扰动模型。分析表明地面发射大功率的高频电磁波注入电离层可以引起电离层中电子密度发生明显变化，且电磁波对电离层的加热作用具有饱和效应。最后，采用射线追踪方法，仿真分析了电磁波在加热电离层中不同路径传输的衰减。并基于以上加热电离层传播模型，建立了加热电离层多径信道模型，对仿真的信道模型进行了分析，表明加热电离层信道是一种时变色散衰落信道。
　　5.飞行器在空间高速飞行时周围形成等离子体包覆流场，对无线通信系统造成不可忽视的影响。本文建立钝头锥体的飞行器模型，根据飞行器外围流场特性，采用轴对称热化学非平衡流动的无量纲化控制方程组模拟高速飞行器表面绕流流场。根据流场的旋转对称性质，求解飞行器外围流场的温度分布、各组分密度分布以及不同马赫数下的电子密度分布。
　　6.根据飞行器流场仿真得出的电子密度分布参数，采用WKB等方法计算了等离子体鞘套中电磁波的衰减，通过分析鞘套的等离子体特性，计算了鞘套中电磁波传播产生的相移。并将钝头锥体飞行器模型进行三角面元剖分，采用PO方法计算了不同飞行速度下钝头锥体飞行器的RCS。在分析飞行器表面等离子体性质及其对通信信号的衰减等因素的基础上，构建了空间通信“黑障”预报模型。根据飞行器再入轨迹，对发生的“黑障”进行了预测。并针对黑障问题，建立了一种磁窗模型，仿真结果表明，该磁窗可以有效降低等离子体鞘套中的电子密度，减低“黑障”风险。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

§1．1 研究背景和意义

§1．2 国内外研究概况

1．2．1 尘埃等离子体中电磁波传输和散射特性研究

1．2．2 空间碎片电磁散射特性研究

1．2．3 加热电离层中电波传播特性研究

1．2．4 等离子体鞘套中电波传播特性研究

§1．3 本文的研究内容与主要贡献

1．3．1 论文的研究内容和结构安排

1．3．2 论文的主要贡献

第二章 空间等离子体环境与电波传播计算方法

§2．1 电离层中的等离子体环境

2．1．1 电离层空间结构

2．1．2 电离层电子密度分布

2．1．3 电子密度分布数值模型

§2．2 电磁波在等离子体中传播的WKB方法

2．2．1 等离子体中电波传播计算的WKB方法

2．2．2 WKB方法算例

§2．3 电磁波在等离子体中传播的传输矩阵方法

§2．4 电磁波在等离子体中传播的FDTD方法

2．4．1 Maxwell方程的FDTD形式

2．4．2 等离子体中电波传播的JEC-FDTD方法

2．4．3 FDTD方法算例

§2．5 电磁波在电离层中传播的射线追踪方法

2．5．1 电离层射线追踪方法

2．5．2 射线追踪方法算例

§2．6 本章小结

第三章 电磁波在空间尘埃等离子体中传输和散射特性研究

§3．1 尘埃等离子体参量

3．1．1 带电尘埃模型

3．1．2 尘埃等离子体德拜半径

3．1．3 带电尘埃的等离子体频率

3．1．4 尘埃等离子体碰撞频率

§3．2 带电尘埃的充放电模型

3．2．1 OLM方法

3．2．2 尘埃电荷数的计算

3．2．3 尘埃粒子的充电频率

§3．3 带电尘埃电磁散射特性

3．3．1 带电尘埃的散射场

3．3．2 带电尘埃散射截面算例

§3．4 尘埃等离子体中的电波传播特性

3．4．1 随机介质中的电波传播模型

3．4．2 空间环境中尘埃颗粒的粒径分布

3．4．3 尘埃等离子体层中的电波传播算例

§3．5 本章小结

第四章 电离层中空间碎片电磁散射特性研究

§4．1 空间碎片分布模型

4．1．1 空间碎片现状

4．1．2 空间碎片预报模型

4．1．3 空间碎片密度模型

§4．2 椭球碎片的电磁散射

4．2．1 椭球碎片的尺度变换方法

4．2．2 椭球碎片的电磁散射算例

§4．3 不均匀体的电磁散射

4．3．1 电离层不均匀扰动模型

4．3．2 不均匀体电磁散射模型

§4．4 扰动电离层中不均匀体与空间碎片的电磁散射

§4．5 本章小结

第五章 加热电离层中电波传播与信道模型研究

§5．1 电磁波对低电离层的加热

5．1．1 电子温度方程

5．1．2 电子密度方程

5．1．3 电子能量损失率

5．1．4 低电离层各组分参量

5．1．5 加热电离层电子密度仿真

§5．2 电磁波对高电离层的加热

5．2．1 高电离层各组分参量

5．2．2 高电离层的电子密度方程

5．2．3 高电离层电子密度仿真

§5．3 加热电离层中的电波传播

5．3．1 电波传播信道模型

5．3．2 加热电离层对电磁波的衰减

5．3．3 时延功率谱

5．3．4 加热电离层信道仿真

§5．4 本章小结

第六章 等离子体鞘套仿真研究

§6．1 流场控制方程组

6．1．1 流场控制方程组

6．1．2 控制方程的离散

§6．2 气体状态方程及热化学模型

6．2．1 气体状态方程

6．2．2 热化学模型

6．2．3 输运模型

§6．3 等离子体鞘套仿真和讨论

§6．4 本章小结

第七章 等离子体鞘套中电波传播与散射特性研究

§7．1 等离子鞘套中的电波传播

7．1．1 等离子鞘套中电波传播的衰减

7．1．2 电磁波在等离子体鞘套中传输的相移

7．1．3 磁场对等离子体鞘套中电波传播的影响

§7．2 等离子体覆盖目标的电磁散射特性

7．2．1 等离子体覆盖目标电磁散射的物理光学方法

7．2．2 数值计算结果及讨论

§7．3 黑障预报及磁窗模拟

7．3．1 黑障预报

7．3．2 磁窗模型

§7．4 本章小结

结束语

致谢

参考文献

攻读博士学位期间的研究成果与参加科研项目情况