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高功率微波大气传播非线性问题的数值研究

唐涛  
【摘要】:本文主要研究了高功率微波(HPM)脉冲的大气传播与击穿等问题。通过对高功率脉冲的大气传播模型的特点分析,以及考虑到以前类似研究的效率问题,我们采用了时域有限差分(FDTD)法对其进行数值模拟,力图通过该过程来揭示高功率微波脉冲大气传播的规律,为高功率微波脉冲的传播和工程应用提供有参考意义的结论。 本论文首先综述了高功率微波的应用背景,对国内外相关领域的研究现状进行了分析,并且简要介绍了FDTD的基本原理及应用、高功率微波的大气传播模型、该传播模型的FDTD差分格式及其在大气中的传播和击穿特点。 结合高功率微波大气传播的物理意义及严格的数学证明,推导了由时域有限差分法对高功率微波大气传播模型中心差分所得的按时间步进的显示差分格式的稳定性条件和数值色散要求。数值结果显示了FDTD在处理高功率微波大气传播问题上具有很好的可行性和精确性,并相比其他处理方法具有很高的计算效率。通过对高功率微波的击穿条件的分析,对其在背景大气中的击穿阈值作了估算。估算结果与FDTD计算结果和实验数据对比,都比较符合。击穿场强的估算对高功率微波的工程应用和相关实验能提供重要的参考依据。 为了进一步提高高功率微波大气传播问题的数值模拟效率,提出了一种新的处理方法,即分段FDTD计算方法。该方法是直接基于传统FDTD算法,通过将计算空间进行分段,每段之间再进行数据传递的思想来实现。分段FDTD的提出使得高功率微波脉冲长距离传播问题的数值模拟效率得以极大的提升,同时由于该方法在计算效率上具有的优势,为本文在超宽带高功率电磁脉冲的大气传播问题的研究方面提供了坚实的技术保障。 通过对超宽带高功率微波脉冲场强有效值的求解,获取超宽带高功率微波与大气相互作用的参数。并结合改进的分段FDTD方法对超宽带高功率微波脉冲的大气传播具体过程进行数值计算。研究了高斯脉冲、调制高斯脉冲、微分高斯脉冲、阻尼正弦波等超宽带高功率微波脉冲的大气传播过程、尾蚀效应和其它非线性物理问题,同时分析了大气击穿对其频谱的影响。 对处于高功率微波作用下的大气中自由电子密度的变化及该变化对高功率微波的反作用的过程分析,将由高功率微波电离电子所得的自生等离子体混合而成的非均匀混合大气进行分层处理,利用电磁波在非均匀介质中传播问题的FDTD求解方法,对高功率微波脉冲在该混合大气中传播过程和反射特性进行数值分析。 在重复频率高功率微波脉冲大气传播问题的研究中,我们构建了一种半解析模型。并且提出了一个临界重复频率,同时推导出来重复频率高功率脉冲场强的击穿阈值。并且分析了重复频率高功率脉冲不同参数对该临界重复频率和击穿场强的影响。 最后概括了本文在高功率微波脉冲大气传播方面取得的研究成果,并展望了该研究的发展方向。


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