高功率微波大氣傳播非線性問題的數(shù)值研究.pdf

1、本文主要研究了高功率微波(HPM)脈沖的大氣傳播與擊穿等問題。通過對(duì)高功率脈沖的大氣傳播模型的特點(diǎn)分析，以及考慮到以前類似研究的效率問題，我們采用了時(shí)域有限差分(FDTD)法對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬，力圖通過該過程來揭示高功率微波脈沖大氣傳播的規(guī)律，為高功率微波脈沖的傳播和工程應(yīng)用提供有參考意義的結(jié)論。
　　 本文首先綜述了高功率微波的應(yīng)用背景，對(duì)國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，并且簡(jiǎn)要介紹了FDTD的基本原理及應(yīng)用、高功率微波的大

2、氣傳播模型、該傳播模型的FDTD差分格式及其在大氣中的傳播和擊穿特點(diǎn)。結(jié)合高功率微波大氣傳播的物理意義及嚴(yán)格的數(shù)學(xué)證明，推導(dǎo)了由時(shí)域有限差分法對(duì)高功率微波大氣傳播模型中心差分所得的按時(shí)間步進(jìn)的顯示差分格式的穩(wěn)定性條件和數(shù)值色散要求。數(shù)值結(jié)果顯示了FDTD在處理高功率微波大氣傳播問題上具有很好的可行性和精確性，并相比其他處理方法具有很高的計(jì)算效率。通過對(duì)高功率微波的擊穿條件的分析，對(duì)其在背景大氣中的擊穿閾值作了估算。估算結(jié)果與FDTD計(jì)算

3、結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，都比較符合。擊穿場(chǎng)強(qiáng)的估算對(duì)高功率微波的工程應(yīng)用和相關(guān)實(shí)驗(yàn)?zāi)芴峁┲匾膮⒖家罁?jù)。為了進(jìn)一步提高高功率微波大氣傳播問題的數(shù)值模擬效率，提出了一種新的處理方法，即分段FDTD計(jì)算方法。該方法是直接基于傳統(tǒng)FDTD算法，通過將計(jì)算空間進(jìn)行分段，每段之間再進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞的思想來實(shí)現(xiàn)。分段FDTD的提出使得高功率微波脈沖長(zhǎng)距離傳播問題的數(shù)值模擬效率得以極大的提升，同時(shí)由于該方法在計(jì)算效率上具有的優(yōu)勢(shì)，為本文在超寬帶高功率電磁脈沖

4、的大氣傳播問題的研究方面提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)保障。
　　 本文通過對(duì)超寬帶高功率微波脈沖場(chǎng)強(qiáng)有效值的求解，獲取超寬帶高功率微波與大氣相互作用的參數(shù)，并結(jié)合改進(jìn)的分段FDTD方法對(duì)超寬帶高功率微波脈沖的大氣傳播具體過程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。研究了高斯脈沖、調(diào)制高斯脈沖、微分高斯脈沖、阻尼正弦波等超寬帶高功率微波脈沖的大氣傳播過程、尾蝕效應(yīng)和其它非線性物理問題，同時(shí)分析了大氣擊穿對(duì)其頻譜的影響。對(duì)處于高功率微波作用下的大氣中自由電子密度的變化及

5、該變化對(duì)高功率微波的反作用的過程分析，將由高功率微波電離電子所得的自生等離子體混合而成的非均勻混合大氣進(jìn)行分層處理，利用電磁波在非均勻介質(zhì)中傳播問題的FDTD求解方法，對(duì)高功率微波脈沖在該混合大氣中傳播過程和反射特性進(jìn)行數(shù)值分析。在重復(fù)頻率高功率微波脈沖大氣傳播問題的研究中，我們構(gòu)建了一種半解析模型。并且提出了一個(gè)臨界重復(fù)頻率，同時(shí)推導(dǎo)出來重復(fù)頻率高功率脈沖場(chǎng)強(qiáng)的擊穿閾值。并且分析了重復(fù)頻率高功率脈沖不同參數(shù)對(duì)該臨界重復(fù)頻率和擊穿場(chǎng)強(qiáng)的