再入体的电磁散射特性分析及算法研究

发布时间：2020-09-18 10:07

　　飞行器进入外太空后再次返回地球大气层的过程称为再入过程,再入过程中由于高速飞行器与空气的强烈相互作用,表面形成一层等离子体鞘套。等离子体鞘套会造成电磁波的反射、折射、吸收等现象,干扰电磁信号传输,严重时会产生通信中断的“黑障”现象。为了解决“黑障”问题,需要对存在等离子体鞘套时的再入体的电磁散射特性进行深入的研究和分析。等离子体与电磁波的作用非常复杂,一般没有解析解,需要利用数值方法进行模拟计算,而通常的FDTD算法在速度和计算资源消耗上都具有缺陷,同时由于再入体的动态特性,使得计算过程尤为复杂。因此开发出一种计算速度快、消耗资源少和计算精确度高的动态算法具有重要意义。论文的主要工作如下:再入体的电磁散射特性分析部分,首先分析RAM-C缩比模型分别在高度为30km、50km,速度为12Ma、15Ma的四种组合的仿真结果。对四种状态下的等离子体鞘套进行密度进行分析,发现随着高度的增加密度降低厚度略微变化,随着速度增大密度增大厚度增大。接着分析不同速度、高度、频率以及极化对RCS的影响。分析1GHz的双站曲线发现12Ma、15Ma的再入体RCS比无等离子体鞘套时的RCS要低,说明等离子体对电磁波具有一定的吸收作用。1GHz的单站曲线也表明这一结论,而在较大的速度15Ma情况下,某些角度的吸收更为明显。对3GHz不同高度的单站曲线分析发现同速度下,30km的单站RCS比50km更低。在50km等离子体密度较低的情况下,RCS均出现比无等离子体覆盖的更大的情况。从1GHz、3GHz、5GHz的双站曲线的对比可以发现1GHz时等离子体对电磁波有很强的衰减作用,3GHz时该作用明显减弱,而5GHz时等离子体反而会增大RCS。因为5GHz和3GHz频率较大,大于等离子体频率,吸收作用减弱。5GHz单站曲线表明等离子体密度集中的再入体尖端会对电磁波产生较强的吸收产生作用,RCS呈现小于无等离子体的情况。而非尖端部位吸收作用衰减,RCS由于体积效应反而增大。对比水平极化和垂直极化的双站曲线可以看出同一模型下呈不同分布特征。5GHz水平极化和垂直极化曲单站曲线中小角度中对电磁波吸收强度的差异也表明再入体RCS与电磁波极化水平存在相关关系。最后综合上述讨论,再入体等离子体鞘套可以对电磁波产生吸收作用从而影响RCS,但是电磁波与等离子体鞘套的相互作用是复杂的物理过程不仅涵盖对电磁波的吸收,并且受到多种因素影响。基于蒙特卡洛方法的快速动态算法部分,首先重点介绍了POMC算法的主要原理,用粒子模拟电磁波在等离子体中的穿透过程以及用物理光学法计算粒子在金属表面的反射,结合蒙特卡洛思想多次计算上述过程将多粒子的RCS统计平均得到最终结果。然后用PO、SBR计算RAM-C模型验证POMC算法在无等离子体目标计算时的准确性。POMC算法计算结果与多层等离子体平板的Feko软件解和多层等离子体球的解析解差异较小,验证了POMC算法具备计算等离子体覆盖目标的电磁散射特性。POMC计算稳态目标RAM-C的流场仿真模型,得到的双站RCS曲线具备合理的物理解释。考虑到再入体的动态特性,在POMC算法的设计中加入了等离子体参数随机扰动以及粗糙表面的仿真。文章给出了多层等离子体平板随机扰动以及单层平板粗糙表面的仿真结果,与相关文献中结果类似,验证了POMC是可以进行动态仿真的算法。最后讨论了算法可并行的特点,以此可以大幅缩短复杂目标的计算时间。
【学位单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：O441;V419.2
【部分图文】：

碰撞频率,等离子体鞘,再入体,跨度

南京大学硕士论文逦等离子体鞘套及电磁计算方法逡逑梯度大的分布状态。逡逑（２）碰撞频率强度、跨度大逡逑Ｓｗｉｆｔ等人在研宄等离子理论的基础上得到如下结论：再入体等离子鞘套在逡逑靠近天线窗口的区域内，碰撞频率沿壁面法向的变化并不明显，可以认为是均匀逡逑的，碰撞频率的大小主要由环境的温度决定。据此，Ｓｗｉｆｔ等计算了不同温度假逡逑设条件下，碰撞频率随高度的变化情况，如图２－１所示［４０］。逡逑１００００邋逦：逦逡逑

示意图,元胞,示意图,电磁场方程组

时间尺度的波动特性［４１］。逡逑２．４邋ＦＤＴＤ邋方法逡逑时域有限差分（ＦＤＴＤ）方法以Ｙｅｅ元胞（图２－２）为空间电磁场离散单元，逡逑对电场及磁场的Ｅ和Ｈ分量在空间和时间上采取交替抽样的离散方式，然后在逡逑时间轴上逐步推进求解空间电磁场。ＦＤＴＤ主要是利用一阶中心差分近似和平均逡逑值近似对麦克斯韦方程组进行离散，在三维直角坐标系迭代一次的电磁场方程组逡逑如下：逡逑Ｅ＼逦冬逡逑￥「及逡逑＾Ｈｘ邋Ｅｚｉ逡逑Ｅｙ逡逑图２－２邋Ｙｅｅ元胞示意图逡逑１４逡逑

电磁散射,导体表面,物理光学法,散射场

、、，１逡逑图２－３导体表面电磁散射逡逑如图２－３，对于自由空间的一个理想导体散射体，其上一面元在观察点Ｐ逡逑所形成散射场，根据Ｓｔｒａｔｔ0ｎ－Ｃｈｕ［４３］方程，可以得到物理光学法远区散射场：逡逑Ｅｓ邋＝邋－ｊ0）ｆｉｆｓｒＪｓ（ｒ＇）Ｇｄｎ０逦（２－２９）逡逑其中人00时为ｒ＇点的表面感应电流密度，隐含了相位信息，Ｇ是格林函数。逡逑物理光学法在求解目标散射特性时，做了以下三点假设：逡逑（１）

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