FDTD求解高功率微波大气传播问题的可行性研究

提出了应用时域有限差分(FDTD)方法对高功率微波(HPM)大气传播模型进行数值模拟。HPM大气传播模型是由Maxwell方程组和电子磁流体方程共同描述的。利用FDTD的特点,在适当的时间和空间位置对该方程组进行中心差分,获得其显式差分格式。并结合流体力学有限元分析中的边界处理方法,建立了一套全新、高效的求解HPM大气传播的数值方法,其计算量仅与空间网格步数相当,在普通PC机上就能完成相应计算。计算结果验证了该方法的合理性和正确性。

高功率微波大气传播数值计算的加速方法

用时域有限差分法(FDTD)对高功率微波(HPM)大气传播进行数值仿真时,所要关心的仅是传播目标点HPM波形的分布,而传播过程中每一空间点不需要考虑,所以可将传播空间分段计算,在分段点处需要增加一个吸收边界,并将传播到该点的HPM保存下来,作为后继计算空间的源加入到其后一空间步,完成数据传递。通过这样循环处理可以达到节约计算时间和存储内存的目的,从而达到加速计算的目的。

国内高功率微波大气传播研究的若干进展

近年来,高功率微波系统的输出功率越来越高,气体击穿已成为限制高功率微波传播的主要因素之一,对其开展研究具有重要的应用意义。文中首先简单回顾了国内同行的研究成果,然后重点介绍了我们已取得的代表性进展。针对由麦克斯韦方程组和电子流体力学方程组构建的高功率微波大气传播的电子流体模型,提出了该模型的时域有限差分算法。推导了超宽带脉冲的等效电场,并将其代入电离参数的经验表达式,研究了超宽带脉冲大气传播与击穿;基于分区域技术,发展了高功率微波长距离传播的快速算法;将改进的电子能量分布函数引入流体模型,计算了不同压强下的击穿时间,发现其与粒子模拟的结果符合得很好;在充分考虑电子与空气-六氟化硫混合气体之间的微观反应的情况下,研究了六氟化硫的填充比例对混合气体击穿阈值的影响。

FDTD结合DFT分析宽频高功率微波大气传播

联立麦克斯韦方程与电子流体方程,用时域有限差分法(FDTD)模拟高斯型和阻尼正弦型等宽频高功率微波(HPM)的大气传播.在每个时间网格上,根据窄带脉冲的电子速度,通过离散傅立叶变换(DFT)方法求解出宽频脉冲的等效电场,将等效电场和压强代入电离参数公式,使电离参数随空间网格不断更新,提高计算准确性.结果表明,宽频HPM脉冲幅值、脉宽以及海拔高度等参数对大气击穿有明显的影响;大气击穿导致尾蚀效应;随着传播距离的增加,宽频HPM脉冲的尾部衰减加剧,脉宽缩短,引起宽频脉冲的频谱出现展宽、分裂及中心频率移动等现象.

大气传播延迟改正在GAMIT软件中的应用

卫星信号从GPS卫星发射到地面的过程中经过了以充满大气为介质的空间。电磁波在这种变化的介质中传播 ,其传播的方向、速度、强度都可能随时改变。本文简略地介绍了大气传播延迟的产生及其对GPS测量的影响 ,并就GAMIT软件对大气传播延迟的控制方法和所采用的改正模型做一简单介绍 ,并对减弱和消除大气传播延迟的方法和手段进行了讨论。

日环食对近地大气传播特性的影响

为了研究日环食对大气传播电磁波特性的影响,于1987年9月23日观测了近地大气的日环食效应。本文给出了近地大气气象参数随太阳辐射强度变化的观测结果,并把它折算成了大气传播特性的变化量。最后对观测结果进行了初步分析和讨论。

对预测大气传播参数的多频辐射计的性能分析

<正> 1.前言通过非散射大气层的一条无线电波路径的特点是由二个主要的量来表征的,即累积路径衰减 A:A=(4.34)∫_0~R α(s)ds dB (1)和路径延迟(或超路径长度)D:D=(0.1)∫_0~R R[N(s)]ds cm (2)式中α(s)(每公里)是吸收系数,R[N(S)]是复折射率的实部,R(用公里表示)

大气声传播通道的声源当量估计方法

提出了一种基于大气声传播通道的爆炸声源能量估计方法,通过将计算大气声学的传播能量分布结果与大气中传播的声压幅度衰减模型相结合,使用平流层通道与热层通道传播损失能量比例作为修正量,提高了对爆炸声源能量的估计精度。在多次地面爆炸实验得到的数据中,使用观测距离800 km以上且同时存在平流层通道与热层通道的次声接收信号,对比了平流层顶风速修正的能量估计方法与该文提出的基于大气声传播通道的能量估计方法。实验结果验证了相对于传统风速修正的能量估计方法,该方法可显著降低估计误差。

光束在湍流大气中传播时的到达角起伏

利用马尔柯夫近似和平均强度的平方近似，导出了适用于整个起伏区域的到达角起伏方差的一般表达式。对于平面波和球面波传播的情况给出了到达角起伏方差的分析表达式。在特定条件下得到了与以前工作相同的结果，并得到实验支持，结果是合理的。

耗散大气中风场对内重力波传播的影响

使用考虑大气耗散的射线跟踪算法，计算了风场作用下重力波的传播情况．结果表明，风场对快速重力波分量影响较小，但对反射和传播区域的慢速波的影响较大，表现在顺风时使反射区范围缩小，逆风时使反射区范围扩大．在传播区，顺风场使慢速波分量的传播距离变小，传播高度降低，而逆风则使慢速重力波分量的传播距离明显增大，传播高度上升．分析表明，重力波传播的丰富多样性是由风场对波的衰减和反射等滤波作用引起的．

大气层传播因素对卫星通信的影响分析

随着时代的发展,卫星通信越来越深入到人们的生活、工作和学习中。文章基于电磁散射的理论,从降雨引起散射和吸收,降雨衰减的预测,雪、雹或雾的影响以及晴空效应和大气效应四个方面,探讨与阐述了大气层传播因素对卫星通信的影响。对宽带多媒体无线通信、宽带无线接入的个人通信、卫星系统的设计以及远程教育工程的维护有较好的参考价值。

高斯波束地--空传播考虑大气湍流内尺度的闪烁指数分析

激光通信、跟踪、制导、雷达和高功率激光系统等研究均要考虑光波地-空路径传播大气湍流引起的闪烁.目前,主要对平面和球面波闪烁研究较多,对能更好表示激光束的高斯波束的闪烁研究还主要局限在水平视距传播.本文根据Andrews等给出的高斯波束视距传播考虑内尺度效应的闪烁指数模型,基于ITU-R推荐的C2n模型,分析计算考虑大气湍流内尺度效应的高斯波束地-空传播的闪烁指数,同时与平面、球面波和高斯波束视距路径的结果进行了比较.结果表明,无论是平面、球面还是波束波,地-空路径的闪烁指数都较地面视距传播的小;当波束半径W0≤0.001m时,其闪烁指数与球面波的一致,当W0≥0.1m时,与平面波一致,这与理论分析结果相同;在强湍流区,当W0≤0.05m时,波束波闪烁逐渐趋于球面波的结果,因此,在强湍流区,对于W0较小的激光,用球面波的闪烁指数可较好的近似其闪烁指数.

我国南方夏季低频降水与热带大气季节内振荡传播的关系研究

为综合考察我国南方夏季低频降水与热带大气季节内振荡(ISO)传播的关系,利用1981—2011年再分析资料系统性地研究了我国南方夏季五类大尺度低频雨型分别对应的前期和同期热带ISO信号的传播特征。结果表明,我国南方夏季各类低频降水型与热带ISO信号的经向传播关系极为密切。热带湿ISO信号主要来源于我国东南方向的热带海洋,并大体向西北方向传播,最终对我国南方各地区低频降水事件产生影响。其中,东南型低频降水前期湿ISO信号自赤道中太平洋地区向西北方向传播,到达我国东南沿海;长江型和江南型低频降水前期湿ISO信号均产生于南海北部,北传至长江地区后西传,并表现出湿ISO信号低纬度北传与中纬度南传相互配合影响降水的特征;华南型低频降水前期湿ISO信号产生于菲律宾群岛附近,西北向传播特征明显,并以北传为主;同时也发现,对于南方少雨型,总体而言我国南方为干ISO位相控制且无明显传播特征相对应。研究结果可为开展我国南方地区夏季延伸期降水预报提供参考和依据。

大气异常传播对某型雷达的影响及其改善方法探讨

从工程实现角度出发,简述了大气异常传播对雷达性能的影响,分析了气象杂波的主要特征,探讨了针对气象杂波所采取反杂措施的具体方法.同时,对采取反杂措施对雷达性能的影响也进行了分析.

中国典型地区大气光学特性及其应用

大气的光学性质决定了大气辐射平衡;各种先进光电技术的应用场景绝大部分都位于地球大气层内或通过大气路径,相关光电系统的功能受到大气光学特性不同程度的影响.大气光学特性(包括地表的光学特性和天空背景辐射特性)是光波在大气中传播和大气辐射传输研究必需的基础物理性质,在气象、气候和天文观测等基础和应用研究以及自适应光学技术、自由空间光通讯等光电工程应用中具有十分重要的作用.中国的自然环境十分复杂,相应的大气光学特性不能简单的套用国际上其它地区的模式.应进行中国大气光学特性的区域划分,在各个典型地区进行大气光学特性的系统测量和数据分析,对有关大量气象和大气光学特性观测资料进行分析研究,获得各典型地区大气光学特性的统计特征,建立可用于辐射大气传输、光波大气传播研究、光电系统分析与设计等的我国各个典型地区的大气光学特性的统计平均模式,研制光辐射大气传输及其光电应用软件包.

空间光通信接收器孔径平均函数的二维映射计算方法

针对现有研究中缺乏计算具有任意形状光学接收器孔径平均函数方法的问题,提出了一种新颖的二维映射方法。首先,将接收器的数学形状映射为一个二维矩阵,并基于该矩阵构建基准孔径、位移孔径,并确定位移范围。然后,通过逐步移动位移孔径获得一系列可变的位移矩阵。随后,通过计算位移矩阵和基准矩阵之间的相同元素,得到不同质心间距矢量下的孔径重叠面积,从而精确地求得接收器孔径平均函数。最后,以计算卡塞格林望远镜的孔径平均函数为例,将其映射为300×300的矩阵,并与理论计算结果进行了比较。对比结果表明,该方法在计算孔径平均函数时具有极小的误差,验证了所提方法的准确性和可靠性。

我国典型气候区大气衰减实用模型研究

无线电波在大气中传播时会受到不同程度的衰减。本文提出了５ＧＨｚ～１００ＧＨｚ频率范围内我国典型地区的大气衰减实用模型，并且也分析了模型的精度和实用范围。

高功率微波大气传输机理

高功率微波脉冲在大气中传输时会伴随着很多复杂的物理过程发生,其中最主要的就是由电子和中性分子碰撞引起的介电击穿。本文对介电击穿过程进行了较细致的探讨,并建立电子流体模型数值,模拟了微波脉冲在大气中传输时传输区域等离子体形成、介电击穿、尾融衰减等过程。

低空大气波导的研究状况及前景

1.引言低空大气波导的出现,可使陷获其中的电波以较小的损耗(和自由空间中的衰减量级相同)沿波导传播,所以可对通讯系统和探测系统造成严重影响。在无线电管理上,它使得系统间的相干问题复杂化,既可能干扰其他线路又可能形成新的传播线路,可直接影响通讯电路如中继电路的最佳组合(分布和间隔)和协整距离等问题。在军事应用上,它会导致雷达空洞的产生,出现雷达盲区,造成雷达定位失效甚至目标丢失,同时也会增加雷达杂波信号,给目标辨识增加困难;又由于在合适的频率和发射角下,它可以使雷达实现超视距探测。从而提供了一条探测雷达视距以外目标的途径。

三维亚音速运动介质中的高斯波束追踪

为了充分考虑介质运动对声传播的影响,建立了一种利用高斯波束法求解亚音速运动介质中的声传播问题的模型.该模型基于高频近似任意马赫数的速度势函数亥姆霍兹方程,采用波束追踪方法,推导了运动介质中的动态射线方程组,进而将偏微分方程转换成常微分方程组的形式.理论表明运动介质中波束的扩展更为复杂,并且声线管束内的能量不一定守恒.将该模型应用于标准问题、水平分层大气次声三维远距离传播问题和墨西哥湾流流域的声传播问题,仿真结果表明,相比于常用的N×2D近似计算方法,运动介质中的高斯波束追踪法充分考虑了介质运动的影响,特别是横风的作用,可以更加精确地计算运动介质中的三维声场;尽管海流的马赫数很小,但是同样会定量地改变声传播,影响会聚区位置,在一些区域考虑海流和不考虑海流的计算结果相差5 d B以上.