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。通過對高功率脈沖的大氣傳播模型的特點分析，以及考慮到以前類似研究的效率問題，我們采用了時域有限差分(FDTD)法對其進行數(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用提供有參考意義的結論。
　　 本文首先綜述了高功率微波的應用背景，對國內外相關領域的研究現(xiàn)狀進行了分析，并且簡要介紹了FDTD的基本原理及應用、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。結合高功率微波大氣傳播的物理意義及嚴格的數(shù)學證明，推導了由時域有限差分法對高功率微波大氣傳播模型中心差分所得的按時間步進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算效率。通過對高功率微波的擊穿條件的分析，對其在背景大氣中的擊穿閾值作了估算。估算結果與FDTD計算

3、結果和實驗數(shù)據對比，都比較符合。擊穿場強的估算對高功率微波的工程應用和相關實驗能提供重要的參考依據。為了進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計算方法。該方法是直接基于傳統(tǒng)FDTD算法，通過將計算空間進行分段，每段之間再進行數(shù)據傳遞的思想來實現(xiàn)。分段FDTD的提出使得高功率微波脈沖長距離傳播問題的數(shù)值模擬效率得以極大的提升，同時由于該方法在計算效率上具有的優(yōu)勢，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實的技術保障。
　　 本文通過對超寬帶高功率微波脈沖場強有效值的求解，獲取超寬帶高功率微波與大氣相互作用的參數(shù)，并結合改進的分段FDTD方法對超寬帶高功率微波脈沖的大氣傳播具體過程進行數(shù)值計算。研究了高斯脈沖、調制高斯脈沖、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、尾蝕效應和其它非線性物理問題，同時分析了大氣擊穿對其頻譜的影響。對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行分層處理，利用電磁波在非均勻介質中傳播問題的FDTD求解方法，對高功率微波脈沖在該混合大氣中傳播過程和反射特性進行數(shù)值分析。在重復頻率高功率微波脈沖大氣傳播問題的研究中，我們構建了一種半解析模型。并且提出了一個臨界重復頻率，同時推導出來重復頻率高功率脈沖場強的擊穿閾值。并且分析了重復頻率高功率脈沖不同參數(shù)對該臨界重復頻率和擊穿場強的