磁化等离子体交替隐式时域有限差分法

针对传统显式时域有限差分法仿真各向异性磁化等离子体时,时间步长会受到柯朗-费里德里希斯-列维(Courant-Friedrich-Levy,CFL)条件限制的问题,采用拓展的无条件稳定交替隐式时域有限差分方法(alternating-direction-implicit finite-difference time-domain,ADI-FDTD)对无限大磁化等离子体进行数值仿真。该方法在传统两步法基础上增加2个子时间步,同时仍保持无条件稳定的特性。实验结果表明:反射和透射系数与理论值吻合较好。与普通时域有限差分方法相比,该方法能够高效仿真等离子体光子晶体,并且具有较高的精度和无条件稳定的特性。

基于Fokker-Planck-Landau碰撞模型的非均匀尘埃等离子体目标散射特性

从玻尔兹曼方程出发,推导了全电离非均匀尘埃等离子体的Fokker-Planck-Landau碰撞模型下时域有限差分的迭代表达式.结合尘埃等离子体的碰撞效应和充电效应,得到了Fokker-Planck-Landau碰撞模型下全电离尘埃等离子体的电导率表达式.利用Z变换时域有限差分(Z-FDTD)法计算了二维情况下尘埃等离子体涂覆金属钝头锥的雷达散射截面.分析了尘埃粒子密度、尘埃粒子半径、电子密度与尘埃粒子密度比值、尘埃粒子充电频率以及电磁波的入射角对钝头锥散射特性的影响.结果表明,在全电离空间非均匀尘埃等离子体中,随着尘埃粒子半径的增大会削弱德拜屏蔽效应,导致雷达散射截面增大;此外,受到尘埃等离子体的碰撞效应和充电效应产生影响,会对目标的雷达散射截面有较大的影响.这些结果对研究空间非均匀尘埃等离子体的电磁波散射特性以及近地空间的通信问题提供了理论依据.

等离子体涂覆复杂目标电磁散射的间接Z变换时域有限差分法

对等离子体涂覆复杂目标电磁散射的间接Z变换时域有限差分法进行了研究。根据非磁化等离子体的J,E间的本构关系,结合Maxwell方程组,引入间接Z变换算子,得到了改进的非磁化等离子体的差分迭代方程,实现了时域迭代计算。用该法计算的非磁化等离子体球和导弹雷达散射截面(RCS)值与文献结果吻合较好。用该法计算等离体涂覆飞机的电磁散射,分析了等离子体参数对飞机雷达散射截面的影响。

分段线性电流卷积时域有限差分法及在等离子体隐身技术中的应用

给出了一种高效性和高精度的算法———分段线性电流卷积时域有限差分算法,并应用于模拟电磁场在色散等离子体介质中的传播。给出了电磁波在非磁化等离子体平板的反射系数,并对算法的高效性和高精度进行了验证。用分段线性电流卷积时域有限差分算法计算了等离子体覆盖的二维方柱的双站雷达散射截面,并对结果进行了分析。

太赫兹波在高超声速目标等离子体鞘套中的传输特性

高超声速飞行器在临近空间飞行过程中会产生等离子体鞘套,这种等离子体鞘套的存在会严重干扰地面与飞行器之间的通信。针对这一问题,在计算球锥流场的基础上,根据流场温度、压强分布以及空气离解反应模型建立了等离子体鞘套模型,并基于时域有限差分方法研究了不同飞行速度、不同入射角度下太赫兹波在等离子体鞘套中的传输特性。结果表明,在不同的飞行速度和入射角度下,太赫兹波都可以有效地穿透等离子体鞘套。该研究对实现临近空间与高超声速飞行器的通信具有重要意义。

时变等离子体覆盖导体圆柱的双站散射特性分析

研究时变等离子体覆盖导体圆柱的双站散射特性对等离子体隐身技术和太空再入体的跟踪识别技术具有重要的意义。以非磁化不均匀等离子体覆盖导体圆柱的模型为基础,采用分段线性电流密度递归卷积时域有限差分方法计算了不均匀时变等离子体覆盖导体圆柱的双站雷达散射特性。结果表明:不均匀等离子体覆盖导体圆柱能成功地缩减目标的雷达散射截面。

等离子体覆盖导体柱宽带散射特性分析

利用分段线性递归卷积频率相关时域有限差分 (PLRCFD2 TD)方法研究了非均匀等离子体覆盖导体柱的散射特性。对TM波垂直入射时的双站、宽带仿真结果的分析表明 ,等离子体包层可以显著地减少雷达目标的电磁回波能量 。

等离子体散射分析的改进型交替隐式时域方法

提出了一种改进的交替隐式时域有限差分(FDTD)方法,运用该方法分析了等离子体涂覆导体圆柱的散射特性,为等离子体隐身技术的运用提供了一定的理论指导.该方法在整个问题空间采用完整场形式的场量进行迭代计算,并运用中心差分格式离散极化电流密度辅助方程.仿真实验表明:提出的算法具有无条件稳定特性,其计算效率明显优于以往文献提出的交替隐式FDTD方法,在精度和效率上也稍高于普通的显式FDTD方法.

等离子体涡电磁散射特性及隐身性能

针对非均匀等离子体在飞行器隐身中的应用,采用分段线性电流密度递归卷积时域有限差分(PLJERC-FDTD)方法计算等离子体涡及涡串电磁散射特性,分析等离子体涡对飞行器隐身性能影响。计算表明,等离子体涡在很大频率区间对电磁波吸收效果显著,RCS降低很大,具有明显的隐身效果。等离子体涡表现出一定规律性的极化特性,对L,S和C波段电磁波具有不同的吸收、反射特性。

Compton散射下磁化等离子体光子晶体光子带隙特性

为了研究多光子非线性Compton散射对横向磁光效应磁化等离子体光子晶体光子带隙特性的影响,采用多光子非线性Compton散射模型和时域有限差分法进行了理论分析和实验验证,取得了关于晶体色散和调制不稳定性、光子带宽变化的重要数据,并提出了将入射光和Compton散射光作为磁化等离子体光子晶体色散的新机制。结果表明,Compton散射使等离子体色散增强,耦合电磁波通带变窄、阻带变宽,有效地降低了电磁波传输中的交叉相位调制的不稳定性,频率低于等离子体频率的电磁波在等离子体中的传播几率减小。

等离子体覆盖目标散射特性的RKETD-FDTD分析

采用一种既保证计算的高效率,又有较高的计算精度的龙格库塔指数时程差分时域有限差分法(RKETD-FDTD)研究了等离子体的散射特性。该算法解决了电磁波在色散介质中传播的计算问题,导出了在等离子体介质中RKETD-FDTD迭代公式。文中分别计算了等离子体平板的反射系数和非均匀等离子体覆盖导体柱的散射特性,所得结果与解析结果相符合,并且表明等离子体涂层选择合适的碰撞频率,能有效地减小目标的雷达散射截面(RCS)。

Compton散射对磁化等离子体光子晶体缺陷模密温特性的影响

应用多光子非线性Compton散射模型和有限时域差分法,对Compton散射对磁化等离子体光子晶体缺陷模密温特性的影响进行了理论分析和数值模拟。结果表明,与Compton散射前的情况相比,Compton散射使低温低频处光子禁带中存在缺陷模的明显度降低,缺陷模频率增大,缺陷模和透射率峰值减小;使高温高频处缺陷模和透射率峰值、缺陷模频率显著增大,禁带宽减小,缺陷模位置向高频方向移动。随着电子密度的增大,散射减小了禁带增大效应和缺陷模减小效应,增强了缺陷模频率增大效应;随着电子密度的降低,散射增强了禁带变窄效应、缺陷模峰值增大效应和缺陷模频率减小效应。利用Compton散射,可实现对缺陷模密温特性的有效控制。

二维大气等离子体层对雷达波的反射特性

利用时域有限差分法(FDTD)对雷达波在二维大气等离子体中传播的反射率进行了数值计算.计算结果表明,在其他条件相同的情况下,大气平板型分布的等离子体层对雷达波的反射率分别取决于入射波参数:电磁波的入射角θ;电磁波入射波频率f;电磁波传播模式(TM波,TE波)以及等离子体参数;等离子体的电子密度剖面;电子与中性粒子碰撞频率νe0;等离子体厚度d.该研究结果为提高组合介质的雷达波衰减性能研究提供理论依据.

Compton散射对磁化等离子体光子晶体色散特性的影响

利用多光子非线性Compton散射模型和有限时域差分法,对Compton散射对磁化等离子体光子晶体色散特性的影响进行了理论分析和数值模拟,提出了将入射光和Compton散射光作为磁化等离子体光子晶体中产生色散的新机制。研究结果表明,与Compton散射前相比,Compton散射使零色散频率和截止频率增大,零色散线相对于平带有一定的偏离,截止频率点色散线位置上升,上、下色散曲线分别呈现更加明显的非线性增加和减小的趋势。背景的相对介电函数增加到一定值时,散射使出现的全方向带隙的归一化频率增大,带隙中心位置下降较快,带隙宽度增加较大,波矢偏离周期平面较明显,本征模的截止频率较大,理论计算和数值模拟吻合得很好。

开槽钝锥体及等离子体鞘套的RCS特性研究

采用时域有限差分(FDTD)方法研究了等离子体鞘套包覆目标的电磁散射特性,发展了超高速飞行器及其等离子体鞘套RCS特性并行计算软件。采用发展的软件完成了超高速开槽钝锥后向远区时域特性和0°入射角附近的电磁散射截面积(RCS)的计算分析,并在中国空气动力研究与发展中心的气动物理靶上进行了超高速开槽钝锥体的RCS验证试验。研究表明:在钝锥体表面开环槽并填充透波性能良好的介质材料相当于在钝锥体表面人为地增加了一个散射中心;在低频区和谐振区,开槽后钝锥体的RCS在原值周围变化,而在高频区,钝锥体的RCS在0°入射角附近很宽的范围内均显著增大。

基于拉氏变换原理的三维磁化等离子体电磁散射FDTD分析

根据拉普拉斯变换(LT)原理,提出了一种新的分析色散介质的电磁特性的时域有限差分(FDTD)算法,称为电流密度拉普拉斯变换时域有限差分(CLT-FDTD)算法.利用磁化等离子体介质中的关于电流密度矢量与电场强度的本构方程,将其两边分别拉普拉斯变换,得到s域内的本构方程.最后进行逆拉普拉斯变换和指数差分,得到在时域里易于求解的FDTD迭代方程.通过该方法计算了非磁与磁化等离子体球的后向雷达散射截面(RCS),验证了该方法正确性与有效性.

用二维时域有限差分法计算机翼雷达散射截面

应用二维时域有限差分(FDTD)程序计算二维翼型NACA0012和金属方柱的双站雷达散射截面,与国内外文献上的结果进行比较,证明该程序的有效性.而后计算二维不同形状机翼的双站雷达散射截面(RCS)和不同后掠角时后掠翼和三角翼的双站RCS,得出不同形状机翼有不同的RCS分布;改变后掠角的大小可以改变机翼的RCS分布.因此,根据设计要求,可以通过选用不同机翼形状或不同大小的后掠角,使飞行器达到RCS减缩.

薄层等离子体隐身天线罩散射分析

为降低雷达舱的电磁散射,提出了一种薄层等离子体隐身天线罩模型。利用时域有限差分方法计算了该模型的电磁散射特性,分析了等离子体电子密度和碰撞频率对其隐身效果的影响。经过大量的分析计算发现,薄层等离子体天线罩的隐身机理主要有两个方面:当入射波频率小于等离子体特征频率时,等离子体对入射波是截止的,因为罩体是低散射外形而实现隐身;当入射波频率大于等离子体特征频率时,部分电磁波能进入天线罩,但因等离子体对入射波的吸收而衰减。

Compton散射对时变磁化等离子体光子晶体缺陷模的影响

应用多光子非线性Compton散射模型和分段电流密度卷积时域有限差分法,将入射光和Compton散射光作为形成缺陷模的机制,研究了Compton散射对具有单一缺陷模的时变磁化等离子体光子晶体缺陷模的影响。结果表明:与Compton散射前相比,入射光频率低于等离子体频率时,禁带中仍存在明显的缺陷模,其频率随等离子体驰豫时间的增大而缓慢增大;等离子体弛豫时间相等时,等离子体均匀分布的禁带透射系数峰值比Epstein分布时小,两者的缺陷模特征都比较明显,但两者的禁带宽度及缺陷模之间的区别明显减小。

双平行圆柱形MDM纳米棒等离子体波导的传输特性分析

设计了一种由双平行圆柱形纳米棒构成的金属-介质-金属(MDM)型等离子体波导,采用时域有限差分方法(FDTD)分析了波导结构的传输特性。当光波垂直主轴入射时,电磁场被很好地局限在两纳米棒所形成的中间区域以及介质层中,从而在该波导中能够有效地耦合电磁场能量。在工作波长为1 550 nm的情况下,随着内层金属芯半径的增大,有效折射率减小,传播距离增大;而中间介质层厚度增大时,有效折射率增大,传播距离减小。当外层金属壳厚为20 nm时,电场可以很好地被限制在纳米棒的介质层内。上述结果表明:通过调整波导结构的几何参数可以显著提高金属纳米棒的场限制,降低波导本身的损耗,使波导的有效折射率和传播长度达到最优化。这种等离子体波导能够实现亚波长的光限制,可以应用于光子器件集成和传感器领域。