FDTD法分析等离子体对通信信号的影响_贾龙.pdf

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1、第３８卷第１期压电与声光Ｖｏｌ．３８Ｎｏ．１２０１６年０２月ＰＩＥＺＯＥＬＥＣＴＲＩＣＳ＆ＡＣＯＵＳＴＯＯＰＴＩＣＳＦｅｂ．２０１６文章编号：１００４－２４７４（２０１６）０１－０１５１－０３ＦＤＴＤ法分析等离子体对通信信号的影响贾龙，马红光，孙璟潇（第二炮兵工程大学空间工程系，陕西西安７１００２５）摘要：介绍了时域有限差分（ＦＤＴＤ）算法的基本原理，对ＦＤＴＤ算法进行了理论研究和公式推导，建立等离子体的模型，并运用ＦＤＴＤ算法对等离子体和电磁波间的作用机理进行了数值计算。运用ＭＡＴＬＡＢ软件对结果进行了仿真，分析

2、了等离子频率、等离子数量和碰撞频率等重要参数对电磁波反射特性的影响，并由此可得计算结果与目前的解析法和ＷＫＢ方法结果接近，具有很高的准确性。关键词：等离子体；反射特性；时域有限差分（ＦＤＴＤ）算法中图分类号：ＴＰ９２文献标识码：ＡＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＩｍｐａｃｔｏｆｔｈｅＰｌａｓｍａＳｈｅａｔｈｏｎＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＳｉｇｎａｌｓｂｙＦＤＴＤＭｅｔｈｏｄＪＩＡＬｏｎｇ，ＭＡＨｏｎｇｇｕａｎｇ，ＳＵＮＪｉｎｇｘｉａｏ（ＴｈｅＤｅｐｔ．ｏｆＳｐａｃｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｉｎＳｅｃｏｎｄＡｒｔｉｌｌｅｒｙＥｎｇ

3、ｉｎｅｅｒｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ７１００２５，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｂａｓｉｃｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆＦＤＴＤａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ａｎｄｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｆｏｒｍｕｌａｄｅｒｉｖａｔｉｏｎｏｆＦＤＴＤａｌｇｏｒｉｔｈｍａｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ．Ｔｈｒｏｕｇｈｍｏｄｅｌｉｎｇｔｈｅｐｌａｓｍａａｎｄａｄｏｐｔｉｎｇｔｈｉｓａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｔｈｅｍｅｃｈ－ａｎｉｓｍｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｗ

4、ａｖｅａｎｄｐｌａｓｍａｗｉｌｌｂｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．ＴｈｒｏｕｇｈａｄｏｐｔｉｎｇｔｈｅＭＡＴＬＡＢｓｏｆｔｗａｒｅｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓ，ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓｏｆｔｈｅｐｌａｓｍａｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ｔｈｅａｍｏｕｎｔｏｆｐｌａｓｍａａｎｄｃｏｌｌｉｓｉｏｎｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｎｔｈｅｒｅ－ｆｅｃｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｗａｖｅｓａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｓｏｍｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓｗｉｌｌｂｅｇｏｔ，ａｎｄｔｈｅｖｅ

5、ｒａｃ－ｉｔｙｏｆｒｅｓｕｌｔｓｉｓｈｉｇｈｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅａｎａｌｙｔｉｃａｌｍｅｔｈｏｄａｎｄＷＫＢｍｅｔｈｏｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｌａｓｍａｓｈｅａｔｈ；ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ；ＦＤＴＤｍｅｔｈｏｄ０引言性，从而获得更准确的计算结果。飞行器再入时，速度很快，能达到几马赫，甚至１电磁波反射系数的理论推导［１］十几马赫，由于气动加热会使飞行器表面及周围首先，假设等离子体是非磁化的等离子体，且不的空气发生电离，将会形成等离子鞘套，并对通过其能忽略其碰撞频率。此时，我们把电

6、磁波当平面波中的无线电波产生吸收、反射、折射和色散等多种效处理，当一束平面波以一定角度入射到等离子鞘套应。等离子鞘套会对再入的飞行器与外界的通信情上时，这里把等离子体厚定为ｄ。［５］况产生影响，严重时甚至造成通信中断，即黑障现根据麦克斯韦方程组［２］象，因此，采用一种合适的方法来研究等离子鞘套Ｂ　　×Ｅ＝－（１）对通信信号产生的影响很重要。较传统的方法是解ｔ析法和ＷＫＢ法［３］。解析法仅针对等离子鞘套电子　　·Ｂ＝０（２）密度为一定函数分布的情况，而ＷＫＢ法是电子密　　·Ｄ＝０（３）其中度分布缓变条件下的

7、一种近似，因而这两种方法计算的结果误差会较大。当电子密度的分布情况不能Ｂ＝μ０Ｈ（４）简单地用函数模型处理时，我们采用时域有限差分Ｄ＝ε０εｒＥ（５）［４］式中：Ｅ为电场强度；Ｂ为磁感应强度；Ｄ为电位移法（ＦＤＴＤ）计算等离子鞘套中电磁波的反射特收稿日期：２０１４－０９－２２基金项目：总装预研基金资助项目（５１３０１０６０３）作者简介：贾龙（１９８９－），男，四川南充人，硕士生，主要从事雷达信号处理和对抗技术的研究。Ｅ－ｍａｉｌ：４６１９７６７７７＠ｑｑ．ｃｏｍ。马红光，教授，博士生导师，主要从事雷达信号处理、对抗

8、技术和混沌现象的研究。１５２压电与声光２０１６年矢量；Ｈ为磁场强度；μ０为真空磁导率；ε０为真空介１Ｄ′＝Ｄ（８）电常数；εｒ为相对介电常数。槡ε０μ０物理模型如图１所示。则Ｄ′×Ｈ＝槡ε０μ０（９）ｔＨ′×Ｄ′＝－εｒ槡ε０μ０（１０）ｔＤ′（ω）＝εｒＥ′（ω）（１１）在时间和空间上对式（９）～（１１）进行中心差分［６］处理。非磁化等离子体的