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等离子体覆盖目标的电磁特性及其在隐身技术中的应用

刘少斌  
【摘要】:等离子体隐身技术是新概念、新原理的隐身技术。也是一门新兴的交叉学科,也是一项十分复杂的系统工程。涉及到等离子体物理学、电磁场理论、现代雷达、机械与电气工程等众多领域。是国内、国际前沿研究课题。近几年,由于其突出的优点,及其对未来的军事目标隐身技术可能产生的革命性的影响,而使其成为国内外的广泛关注一个热门的研究课题。等离子体隐身技术的研究对我军的现代化建设具有重要的实际意义。 本文较系统地用WKB方法和FDTD方法研究了不同等离子体覆盖导体目标的电磁特性。研究了不同等离子体覆盖目标的隐身机理,包括非磁化等离子体的对雷达电磁波的折射隐身,非磁化等离子体对雷达电磁波的碰撞吸收隐身,磁化等离子体对雷达电磁波的碰撞吸收隐身,时变等离子体对雷达电磁波的隐身等。给出了几种新的色散介质和各项异性色散介质的FDTD方法。本文的主要创新点有: 1、较系统地研究了非磁化等离子体的折射隐身技术,用费马原理和变分法研究了电磁波在不同密度分布的等离子体球中的电波轨迹,分析了不均匀等离子体对电磁波的折射对目标RCS的影响。讨论了等离子体自由电子密度分布与电磁波的返转点、目标的RCS缩减的关系。 2、较系统地研究了非磁化等离子体对电磁波的碰撞吸收隐身技术。用WKB方法给出了垂直入射、斜入射情况下,非磁化不均匀等离子体电子密度呈抛物线分布和线性分布时,覆盖导体平板的等离子体对电磁波的反射系数。给出了不均匀非磁化等离子体密度、等离子体碰撞频率、电磁波频率与碰撞吸收的关系。此外,给出了不均匀非磁化碰撞等离子体的时域有限差分方法。然后,利用该算法计算了导体平板覆盖不均匀等离子体时,电磁波的反射系数及等离子体对电磁波的碰撞吸收。 3、分析了不均匀磁化等离子体对电磁波的碰撞吸收隐身技术。用WKB方法讨论了不均匀磁化等离子体覆盖导体平板时,圆极化电磁波、异常模电磁波的反射系数和碰撞吸收。然后,我们将色散介质的电流密度卷积时域有限差分(JEC-FDTD)方法推广到各项异性磁化等离子体。利用该算法计算了导体平板覆盖不均匀磁化等离子体的电磁反射、透射系数(入射波平行磁场传播),检验了其有效性和精度,并与频域结果进行比较。 4、对快速产生的时变等离子体的隐身机理进行初步的探讨。研究了时变等离子体对入射电磁波的频率上移,给出了时变等离子体对入射电磁波的碰撞衰减并计算了时变等离子体对电磁波的反射系数。然后,用FDTD方法研究了不均匀非磁化碰撞时变等离子体覆盖的导体圆柱的电磁散射特性。计算了不均匀非磁化碰撞时变等离子体覆盖的导体圆柱的双站RCS。 5、给出了几种新型的色散介质和各项异性色散介质的FDTD算法。首先使用分段线 国防科学技术大学研究生院学位论文 性近似和电流密度J和电场强度E的递归卷积关系,给出一种新的色散介质的FDTD算 法一分段线性电流密度递归卷积(PIJERC)FDTD方法,并将其推广到频率色散、各项 异性介质中,使之能仿真电磁波在磁化等离子体中的传播。然后,给出了该算法的数值色 散关系,得到其数值色散误差和耗散误差。并研究了与电磁波频率、等离子体频率和碰撞 频率的关系。同时,我们也给出了几种常见的等离子体FDTD算法的数值色散关系,分 析了数值色散和耗散误差与电磁波频率和等离子体参数的关系。并将它们与PLJERC方法 进行了比较。我们也将等离子体JEC一FDTD方法和ADE一FDTD方法推广到磁化等离子体。 对它们的计算精度和效率进行了讨论。此外,基于交替方向隐式的技术(ADI),把交替 方向隐式时域有限差分法(ADI一FDTD)推广到无碰撞非磁化等离子体中,给出了等离子 体介质中的ADI一FDTD迭代公式。并解析地证明了等离子体ADI一FDTD算法也是无条件 稳定的。 6、用PLJERC一FDTD算法研究了三维等离子体的电磁散射特性及非磁化不均匀等离 子体覆盖二维、三维目标的电磁散射特性。给出了非磁化不均匀等离子体覆盖二维、三维 军事目标的几何建模,然后用PLJERc一FDTD方法对其进行仿真计算,给出其双站散射特 性宽带及后向散射特性。将结果与无涂敷时的计算结果和测量结果进行了比较。 关键词:时域有限差分方法;雷达散射截面:等离子体:磁化等离子体;等离子体 隐身:复杂目标;电磁波 第vl页


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