等离子鞘套中电波传播的算法研究

作     者：刘江凡 

作者单位：西安理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：席晓莉

授予年度：2009年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：等离子鞘套 电磁波 WKB方法 FDTD算法 卫星导航 

摘      要：高速飞行器重返大气层时,由于其高速运动,会在周围产生等离子体鞘套,对电磁波产生衰减与散射,给飞行器的通信与定位带来影响,严重时会引起信号中断,这就是“黑障效应。研究等离子体中的电波传播特性对解决“黑障问题有着重大意义。 本文采用传统的解析方法、WKB近似方法和FDTD数值计算方法研究了等离子鞘套对电磁波传播特性的影响。分析了各种算法的性能及其适用条件;应用FDTD算法计算了美国RAMC实验中的电波反射特性,并研究了等离子鞘套对卫星导航信号的影响。 本文首先给出了电子密度为双指数分布情况下,电磁波的反射、透射与衰减系数的解析解法,利用该算法分析了电磁波的传输特性与入射波频率和电子密度之间的关系。 然后介绍了常用于缓变媒质中电磁传播计算的WKB近似方法,在等离子体密度呈双指数分布的条件下,通过透射系数的WKB计算结果与解析结果的比较,分析了WKB方法的适用条件,并应用WKB近似方法计算了等离子体电子密度呈抛物线和线性分布的电磁波的功率透射系数。 之后详细讨论了可用于任意等离子体密度分布的ADE-FDTD数值计算方法的原理,实现及验证,利用该算法计算了RAMC实验中所测量的L、S和X频段等离子鞘套的功率反射系数,FDTD的计算结果与实测结果基本吻合。 最后,应用ADE-FDTD算法,分析了RAMC飞行器在不同高度下卫星导航信号的衰减情况,并估计了卫星导航信号的“黑障区范围;并以等离子体的抛物线分布为例,研究分析了等离子体密度对卫星导航“黑障出现区域的影响。