【分　 类】 信息科技
【关 键 词】 非磁化等离子体，时域有限差分法，吸收边界条件
【来 　源】 互联网
【收　 录】 中文学术期刊网

正文：

    
图1 二阶Mur吸收边界条件      图2  PML层吸收边界条件    图3 UPML层吸收边界条件
表1 时间（单位：秒）

二阶Mur	PML	UPML
338.797	375.446	358.582

从图1～3，及表1可以看出,三种吸收边界条件就吸收效果而言，UPML的吸收效果最好，PML的吸收效果与UPML的比较接近，Mur吸收边界的效果最差，反射比较明显。在相同的条件下，PML吸收边界条件所需的计算时间最长，Mur吸收边界条件所需计算时间最短。而这些正是因为采用Mur吸收边界条件在计算时只涉及截断边界附近一层或两层网格，而PML和UPML吸收层的厚度通常有3～9个网格，吸收层中的各节点也要进行迭代计算，而且PML层中的同一节点上的场分量要分裂成两个子分量计算，这也是UPML层比PML层花费的时间少的原因。因此在综合考虑各个因素的情况下，要计算对结果要求精度很高的目标时，如求等离子体涂覆目标的散射特性时，应采用UPML吸收边界条件。
3 各向异性非磁化等离子体的FDTD算法
等离子体对电磁波作用与等离子体的频率和等离子体的碰撞频率密切相关[8]，等离子体的电子振荡角频率可写为：，在低空大气中冷等离子体的有效电子碰撞频率可表示为：。其中是等离子体自由电子密度；为电子的质量；T为等离子体的温度。
假设等离子体为均匀的、各向同性的、碰撞等离子体，并取等离子体的介质模型，则等离子体的性质可以用一个与频率有关的介电常数来描述。在时域内，电位移矢量与电场强度的关系可写为：
                      （3-1）
其中，是电极化率，是时的相对介电常数。
由于等离子体中的离子的质量相对比较大，因而可以忽略其运动。等离子体中电磁波的传播仍满足麦克斯韦旋度方程组，利用FDTD中的Yee氏网格把时间和空间离散，可以得到场量的差分方程：
（3-2）
电场的其它两个分量和与上式基本类似，由于此介质为各向异性非磁化等离子体，故磁场的迭代方程和非磁性介质的完全相同，具体的公式可以参考文献[9]。
4 实例分析
仿真等离子体涂覆导体金属板的雷达散射截面积。用第三节介绍的FDTD算法并采用UPML吸收边界条件来计算等离子体涂覆导体金属板的电磁场，并应用等效原理求出外推边界上的等效电磁流，然后进行近场到远场的变换，从而得到其雷达散射截面(RCS)。算例中金属板的大小为10cm×10cm，等离子体厚度为5cm，网格大小为200×200，计算空间四周设置了10个网格的UPML层，计算时假设等离子体频率为40.0GHz，碰撞频率为50.0GHz，等离子体自由电子密度的最大值为。导体金属板的RCS数学仿真结果如图4所示。实验结果验证了运用FDTD算法在计算目标雷达散射截面上有着独特的优越性，他可以通过一次计算得到很宽频段的信息,节省了计算时间。作为比较，图中还给出了金属板无涂覆的结果，以及有涂覆的文献参考值，由图可见采用UPML计算等离子体涂覆目标的电磁散射特性的结果与文献结果基本吻合。由于等离子体的存在，金属板的后向散射大为减少。值得注意的是，涂覆等离子体的导体金属板在很小时其对应的RCS值也变大了。这是因为等离子体对低频电磁波的吸收效果比较差，而加上了涂覆层的导体金属板的体积增大了，因此导致此时的RCS值增大。

    图4  金属板外有无等离子体时的双站RCS
5 结论
采用UPML吸收边界条件计算非磁化等离子体覆盖目标的RCS，能有效的克服吸收边界条件的反射对计算结果的影响。通过计算等离子体涂覆前后的导体金属板的RCS，它表明，在大气中通过给飞行器表面进行等离子体涂层，可以使飞行器在某些频段具备雷达隐身性能[10]。
参考文献
[1] 莫锦军，刘少斌，袁乃昌.等.离子体隐身机理研究[JJ.现代雷达，2002，24(3):9一12
[2] K.S.Yee.Numerical solution of initial boundary value problems involving Maxwell equations in isotropic media.IEEE Trans.AntennasPropagat.,1966,14(3):302~307.
[3] 莫锦军，刘少斌，袁乃昌.非均匀等离子体覆盖目标隐身研究IJ]，电波科学学报，2002，17(l):69一73
[4]G.Mur. Absorbing boundary conditions for the finite difference approximation of the time domain electromagnetic field equations.IEEE Trans.Electromagn.Compat.,1981,23(4):377~382

 2/3   首页 上一页 1 2 3 下一页 尾页