非磁化等离子体中电波传播的FDTD算法优化

摘要

近年来，等离子体作为一种高科技的新技术，不仅应用在工业、农业、空间技术、生命科学等领域，在军事领域也得到了重要的发展和广泛的应用。未来战争中可靠的防御和有打击力的进攻都离不开等离子体技术在军事领域的进一步拓展。比如基于等离子体的隐身技术、隐身天线技术、反导技术等，这些应用均离不开等离子体中电磁波传播的特性研究。
　　 针对等离子体中电波传播特性的分析需要，本文开展了等离子体中时域有限差分(Finite-Difference Time-Domain，FDTD)算法的研究，不仅对算法进行了优化，而且在此基础之上对算法与吸收边界的结合做了详细的分析。
　　 本文在简单介绍等离子体物理知识和FDTD原理的基础上，详细分析了非磁化等离子体中的双线性变换(Bilinear Transform-FDTD，BT-FDTD)算法原理及与带有复数频率的完全匹配层吸收边界(Complex Frequency Shifted-Perfectly Matched Layer，CFS-PML)相结合的公式推导，并完成了算法的程序实现，通过仿真结果与解析解的对比验证了算法的正确性；提出了一种高效的非磁化等离子体中电波传播算法：分段线性递归卷积与双线性变换结合的FDTD算法(Piecewise Linear Recursive Convolution-Bilinear Transform-FDTD，PLRC-BT-FDTD)，此方法不仅计算精度高，占用内存资源少，而且很好的实现了CFS-PML吸收边界；最后本文从时域方程的变量需求和实际算例的内存占用两方面比较分析，得到PLRC-BT-FDTD算法可比BT-FDTD算法节省约42.1％到53.3％的内存，同时，两种算法实现的CFS-PML边界的反射误差计算结果均在-85dB以下，验证了算法与边界结合的有效性以及CFS-PML很好的吸收效果。