复杂目标等离子体涂层的散射特性算法研究

论文摘要

等离子体技术作为一种全新的隐身手段,由于它不涉及飞行器本身的空气动力特性、可隐身性以及实际应用方面的廉价性,尤其是对于现役武器系统的易隐身改造等一系列优点,使得它得到世界很多国家的高度重视。同时,等离子体隐身技术是一项非常有希望但又十分复杂的系统工程,它涉及到等离子体产生技术、电磁理论与工程、雷达原理、机械工程等众多学科,但随着科学技术的飞速发展,隐身兵器必定会开创一片新天地,并在军事领域展示出广阔的前景。本文主要从非磁化等离子体电磁散射特性、各向异性磁化等离子体电磁散射特性以及复杂军用目标散射建模三个方面开展了相关研究工作。用交替方向隐式时域有限差分（ADI-FDTD）方法分析非磁化等离子体的电磁散射特性,研究了非磁化等离子体涂敷二维、三维导体目标后其RCS的缩减情况。用电流密度卷积-时域有限差分（JEC-FDTD）方法分析各向异性磁化等离子体的电磁散射特性,研究了各向异性磁化等离子体涂敷二维、三维典型目标及军用复杂目标后其RCS的缩减情况,这些工作在国内都是首创。本文的创造性工作及成果主要体现在以下几个方面:针对ADI-FDTD方法色散较大的缺点,提出了高阶ADI-FDTD算法,并对其增长因子相位的分析,巧妙得到数值色散关系。同时基于辅助差分方程给出一种适合于ADI-FDTD方法的完全匹配层—ADE-PML,这种匹配层,不需要在时域分裂场量。采用Z变换方法将ADI-FDTD推广应用于色散媒质,得到了二维情况下色散媒质中的迭代公式。同时给出了一种采用无限脉冲响应（IIR）滤波器结构来减少存储量的方法,并与色散媒质中的FDTD结果进行比较,在ADI-FDTD计算时间大量减少的情况下,两者结果符合很好。基于分段线性电流密度递归卷积（PLJERC）方法将ADI-FDTD推广应用于非磁化等离子体中,得到了二维情况下非磁化等离子体的迭代差分公式,为了验证该方法的有效性和可靠性,计算了等离子体涂敷导体圆柱的RCS和非均匀等离子体平板的反射系数,数据仿真结果表明,本文给出的算法与传统的FDTD相比,在计算结果吻合的情况下,存储量相当,计算效率更高,时间步长仅仅由计算精度来决定。并将此方法进一步推广到三维情况,研究了三维非磁化等离子体的电磁散射特性。提出了一种求解各向异性不均匀等离子体圆柱电磁散射的解析方法,不均匀等离子体圆柱用多层同心圆柱壳来近似模拟,每层圆柱壳的电子密度为常数,此方法简单并便于编程计算。采用此解析方法研究了各向异性分层均匀等离子体圆柱的RCS与等离子体层数、外磁场强度、等离子体碰撞频率以及圆柱轴心电子密度的关系。采用Z变换方法和JEC方法把FDTD推广应用到二维各向异性磁化等离子体中,该算法同时解决了电磁波在各向异性和频率色散介质中传播的难题,着重研究了等离子体参数对其RCS的影响,计算结果表明磁化等离子体不仅吸收频带宽,而且吸收性能更好。进一步把JEC-FDTD推广到三维各向异性磁化等离子体,这种算法既可以计算三维磁化等离子体的角域散射特性,又可以计算其宽频散射特性。计算了各向异性磁化等离子体涂敷二面角反射器和球锥体等典型三维目标后其RCS的变化情况,分析了电子回旋频率对其RCS的影响。计算结果表明磁化等离子体吸收性能更好。分别给出了基于实体模型和面元模型的FDTD自动网格剖分技术,两种方法机理完全相异,分别针对不同的目标模型,剖分平台也不同。其中,基于面元模型的剖分方法更具独立性,利于建模、剖分、计算程序的一体化集成。我们在此基础上研究磁化等离子体涂敷三维复杂军事目标的电磁散射特性,分析磁化等离子体的隐身性能。我们主要给出两个算例:等离子体涂敷导弹模型和等离子体涂敷军用飞机模型。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 等离子体隐身机理及研究现状
• 1.3 等离子体用于目标RCS减缩的意义
• 1.4 雷达目标散射特性研究方法概述
• 1.5 本文的主要创新点和章节安排
• 1.5.1 主要研究内容和贡献
• 1.5.2 论文的章节安排
• 第二章 可节省时间的ADI-FDTD算法
• 2.1 ADI-FDTD算法原理
• 2.2 高阶ADI-FDTD算法
• 2.2.1 高阶ADI-FDTD公式
• 2.2.2 高阶ADI-FDTD稳定性分析
• 2.2.3 数值色散误差分析
• 2.3 ADI-FDTD中基于辅助差分方程的PML
• 2.3.1 公式
• 2.3.2 数值检验
• 2.4 ADI-FDTD中的激励源及连接边界设置
• 2.5 ADI-FDTD算法中的近场到远场变换
• 2.6 小结
• 第三章 ADI-FDTD在非磁化等离子体散射计算中的应用
• 3.1 色散媒质中采用Z变换的ADI-FDTD方法
• 3.1.1 色散媒质ADI-FDTD公式
• 3.1.2 数值计算结果
• 3.2 二维等离子体中的PLJERC-ADI-FDTD方法
• 3.2.1 等离子体中PLJERC-ADI-FDTD公式
• 3.2.2 数值计算结果
• 3.3 三维等离子体中的PLJERC-ADI-FDTD方法
• 3.3.1 三维等离子体中的PLJERC-ADI-FDTD算法
• 3.3.2 算法验证
• 3.3.3 非磁化等离子体涂敷三维目标的电磁散射特性
• 3.4 小结
• 第四章 一维各向异性磁化等离子体电磁散射特性
• 4.1 斜入射情况下磁化等离子体—空气分界面电磁反射特性
• 4.1.1 斜入射情况下磁化等离子体—空气分界面电磁反射
• 4.1.2 计算结果
• 4.2 斜入射情况下分层均匀磁化等离子体涂敷金属平板的反射
• 4.2.1 计算结果
• 4.3 分层均匀磁化等离子体的透射系数及吸收功率
• 4.3.1 计算结果
• 4.4 一维各向异性磁化等离子体FDTD算法
• 4.4.1 一维磁化等离子体FDTD算法
• 4.4.2 数值计算结果
• 4.4.3 磁化等离子体涂敷导体平板电磁散射特性研究
• 4.5 小结
• 第五章 二维各向异性磁化等离子体电磁散射特性
• 5.1 各向异性均匀等离子体圆柱对电磁波散射的解析解
• 5.1.1 二维各向异性均匀等离子体圆柱电磁散射
• 5.1.2 计算结果
• 5.2 分层均匀磁化等离子体圆柱的电磁散射
• 5.2.1 分层均匀磁化等离子体中的电磁波
• 5.2.2 计算结果
• 5.3 基于Z变换的FDTD方法分析二维磁化等离子体目标
• 5.3.1 各向异性磁化等离子体中基于Z变换的FDTD算法
• 5.3.2 数值计算结果
• 5.4 各向异性磁化等离子体涂敷目标的JEC-FDTD分析
• 5.4.1 各向异性磁化等离子体中的JEC-FDTD算法
• 5.4.2 计算结果
• 5.5 小结
• 第六章 三维各向异性磁化等离子体电磁散射特性
• 6.1 各向异性等离子体单频FDTD算法
• 6.1.1 各向异性等离子体单频FDTD算法
• 6.1.2 数值计算结果
• 6.2 三维各向异性磁化等离子体散射特性
• 6.2.1 三维各向异性磁化等离子体JEC-FDTD算法
• 6.2.2 计算结果
• 6.3 小结
• 第七章 磁化等离子体涂敷复杂飞行器电磁散射特性
• 7.1 三维目标电磁建模
• 7.2 基于实体模型的FDTD网格剖分技术
• 7.2.1 基于实体模型的剖分原理
• 7.2.2 剖分后模型的再显示
• 7.2.3 剖分实例
• 7.3 基于面元模型的FDTD网格剖分技术
• 7.3.1 基于面元模型的剖分原理
• 7.3.2 具体的剖分实现方法
• 7.3.3 多边形面元的处理
• 7.3.4 剖分实例
• 7.4 磁化等离子体涂敷复杂飞行器电磁散射
• 7.4.1 磁化等离子体涂敷导弹模型
• 7.4.2 磁化等离子体涂敷飞机模型
• 7.5 小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表论文情况