一种基于非均匀磁化等离子体的修正Z-FDTD算法

对已有的Z变换时域有限差分法(Z-transformation Finite Difference Time Domain,Z-FDTD)在电磁波与非均匀磁化等离子体中的传输特性分析的计算误差问题进行了研究,并探讨了一种修正计算误差的Z变换时域有限差分方法(Modified Z-transform Finite Difference Time Domain,MZ-FDTD),以提升Z-FDTD方法对非均匀磁化等离子体的适用性。对MZ-FDTD和Z-FDTD之间的计算误差问题,通过严格的公式推导求得该误差的计算公式,并引入误差分析因子,对比分析了该误差受空间步长和非均匀磁化等离子体的物理特性的影响特征,在充分的误差分析与网格参数对比后,以电磁波在非均匀磁化等离子体中的传输特性为分析目标,举例说明了MZ-FDTD的优越性。研究结果表明,相比于经典Z-FDTD,通过MZ-FDTD方法计算得到的数值结果具有更高的计算准确度,较低的运行时间和较少的运行内存占用。此外,对电磁波在非均匀等离子体中传输特性分析的举例说明也证明了相比于Z-FDTD,优化的Z-FDTD方法无论是在较低频段还是较高频段都保持较好的稳定性。在今后的工作中,使用MZ-FDTD方法研究非均匀磁化等离子体问题将会获得更好的计算结果,这项工作中的误差分析方法也将对某些计算电磁学在等离子体中的应用与优化工作起到一定的帮助作用。

基于ISMM方法的非均匀磁化等离子体湍流中电磁波传播特性研究

由于传统散射矩阵法(scattering matrix method, SMM)在计算过程中会产生奇异矩阵,本文基于改进的SMM (improved SMM, ISMM)结合一维磁化等离子体湍流模型,计算了等离子体湍流介质对电磁波在不同入射角下的反射系数和透射系数,同时分析了电磁波在非均匀磁化等离子体中的传播特性。结果表明,湍流的出现极大地影响了等离子体鞘套中电子的运动规律,使其运动过程中能量衰减增多,因此其在0~35 GHz的透射系数增大;另一方面外部磁场的增大,对左旋圆极化波与右旋圆极化波的传播特性影响相反,这是因为在左旋情况下,左旋圆极化波的旋转方向正好与电子的旋转方向相同,右旋圆极化波相反;随着入射角度的增大,相当于电磁波在等离子体湍流中的传播距离增大,导致更多的电磁波能量被吸收;此外,考虑非均匀磁化情况后,电磁波在0~35 GHz频段内的右旋圆极化的透射系数更大。这些结果为研究电磁波在非均匀磁化等离子体湍流介质的传播特性提供了理论依据。

电磁波在不均匀磁化等离子体中的吸收

本文讨论了不均匀磁化等离子体片对圆极化电磁波、异常模电磁波的吸收 ,计算了不同条件下衰减率 .计算表明 ,当电磁波的频率接近电子碰撞频率时 ,磁等离子体对电磁波的吸收达到最大值 .当入射电磁波的频率很低时 ,不均匀磁化等离子体中碰撞对雷达波的吸收非常小 .当入射电磁波频率较高时 ,等离子体的碰撞对入射电磁波的衰减很有效 .在磁场对电磁波衰减率的影响上 ,对右旋电磁波 ,磁场变大 ,衰减率曲线的峰值向较低的碰撞频率方向移动 ,且衰减率减小 .而对左旋电磁波 ,磁场变大 ,衰减率曲线的峰值向高的碰撞频率方向移动 ,且衰减率也增大 .同时 ,我们发现在一定条件下 ,磁场使电磁波的有效吸收带宽变宽 .此时 ,等离子体对电磁波的吸收也最大 .特别是当入射电磁波的频率较低时这一特性更显著 .

非均匀磁化等离子体层的电磁特性分析

基于分层传播原理提出了一种计算电磁波在非均匀磁化等离子体层中反射率和吸收率的模型,并数值分析了等离子体密度与碰撞频率,以及背景磁场强度对电磁波的反射和吸收特性的影响。研究表明:该法所得结果与文献的传播矩阵(SMM)法一致。数值分析发现:低密度高碰撞频率等离子体可减少等离子体层对入射波的功率反射;高密度高碰撞频率等离子体可改善其对入射波的功率反射宽频带吸收特性;背景磁场强度可明显改变等离子共振吸收频段。

THz波在不同角度磁化的非均匀磁化等离子体中的传输特性分析

为利用太赫兹波解决飞行器再入过程遇到的“黑障”问题,以散射矩阵方法为基础,分别以非均匀磁化等离子体的磁化方向、电子密度、外加磁场强度和碰撞频率为变量,研究了垂直入射情形下它们对太赫兹波传输行为的影响.结果表明:这些参数对太赫兹波传输性能影响明显,例如按某一方向改变磁化角度对左极化和右极化太赫兹波的传输功率有相反的影响;降低磁化强度能一定程度地避开等离子体对右极化波的吸收;而降低碰撞频率能缩小等离子体对右极化波的吸收频带.通过调整这些参数,有望在一定程度上缓解黑障现象.

均匀磁化等离子体与雷达波相互作用的数值分析

采用平板几何对不同磁场强度下等离子体对电磁波的吸收、反射和透射特性进行了数值分析 .结果表明 ,不同磁场可以显著改变等离子体对不同频率的雷达波的吸收和反射特性 .当雷达波频率接近等离子体高混杂频率时 ,磁化等离子体将对该波产生强的共振吸收 ,带宽在 2GHz左右 ,吸收比可达 90 %以上 .因此 ,通过适当调整磁场强度、等离子体密度和碰撞频率 。

不均匀非磁化等离子体柱的ZTFDTD分析

推导出了一种归一化的Z变换FDTD算法(ZTFDTD),将这种方法用于仿真电磁波与非磁化等离子体的相互作用的研究中,给出了非磁化等离子体的FDTD迭代公式。通过二维模型分别仿真了在不同等离子体自由电子密度分布下等离子体柱对同一频率电磁波的折射作用、相同自由电子密度分布下等离子体柱对不同频率电磁波的折射作用,以及在不同电磁波频率和等离子体碰撞频率下,非磁化等离子体柱对电磁波的折射和碰撞吸收作用。数值结果表明,等离子体隐身在理论上是有效可行的,合理地设置等离子体参数,可以极大地增强等离子体隐身效果。

磁化非均匀等离子体中模转换机制对电磁波吸收的数值研究

用数值方法研究磁化非均匀等离子体(磁场与密度梯度垂直)中模转换机制对p极化电磁波的吸收效应,重点考虑磁场对吸收率的影响,结果表明:与非磁化等离子体相比,磁场的加入使得吸收率曲线相对入射角的分布发生小的偏移,吸收率为零的位置不是发生在零度入射(即垂直入射)时,而是在一个负的入射角位置,垂直入射时有不为零的吸收率,且正角度范围与负角度范围的峰值吸收率不相等,磁场提高了正入射角范围内的峰值吸收率而降低了负角度范围内的峰值吸收率(或反过来,这取决于磁场方向).

电子密度对太赫兹波在均匀非磁化等离子体中的传输影响

针对地面与飞行器之间通信“黑障”问题,采用垂直极化的太赫兹波实现了地面与飞行器的通信。利用放电装置产生等离子体来模拟飞行器表面的等离子体鞘套,使用全光纤耦合式太赫兹时域光谱仪产生0~1 THz的太赫兹波,从实验的角度研究了垂直极化太赫兹波在不同电子密度的均匀非磁化等离子体中的传输特性。实验结果表明:电子密度越大,垂直极化太赫兹在等离子体中的传播速度越快;随着电子密度的增大,衰减会越小。所进行的研究为实现地面与飞行器之间的通信互联提供了重要的实验参考。

等离子体随机分布对THz波传输特性的影响

高超声速飞行器再入过程中在其周围会产生非均匀的等离子体鞘套流场,同时在飞行器飞行姿态调整,流场分界层湍流、层流相互转换以及再入过程中由于强烈摩擦产生的高温等因素的影响下,使得产生的鞘套具备了一定的随机特性.文中通过改变磁化角度和外加磁场强度、等离子体电子密度、电子密度相对变化幅度以及碰撞频率等参数,提出了基于等离子体随机分布的散射矩阵法来研究THz波传播的相关特性的方法.结果表明,THz波的极化方向不同,其透射率的变化趋势也不同;左极化波在随机分布等离子体中的透射率要优于右极化波;通过调控合适的物理量,可改变THz波在具有随机特性等离子体中的透射特性.该研究结果对于缓解高超声速飞行器与地面之间的通信“黑障”问题具有一定的参考价值.