一種快速的動態(tài)等離子鞘套電波傳播計算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及無線電波傳播領(lǐng)域，具體涉及一種動態(tài)等離子鞘套電波傳播計算方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 高超聲速飛行過程中會在飛行器周圍包覆一層高溫?zé)嶂碌入x子體層，被稱為等離 子鞘套。鞘套中以自由電子為主的帶電粒子將會吸收、反射和散射電磁波，使得電磁信號發(fā) 生嚴重衰減，嚴重時將導(dǎo)致通信信號中斷（黑障現(xiàn)象）。等離子鞘套中的電波傳播問題的研 究對高超聲速飛行器的測控通信體制設(shè)計至關(guān)重要。
[0003] 傳統(tǒng)的等離子鞘套（體）中的電波傳播計算針對的多是穩(wěn)態(tài)等離子體，經(jīng)典的方 法有時域有限差分法、傳輸矩陣方法以及這些方法的改進方法等。穩(wěn)態(tài)等離子體中的電波 計算獲取的是電波透射系數(shù)和反射系數(shù)，這一結(jié)果反映的是特定高度、速度、攻角下的穩(wěn)態(tài) 環(huán)境下的電波衰減結(jié)果。實際上，飛行器的高度、速度和攻角也是緩變的，且流體中仍存在 湍流擾動、燒蝕剝落過程等不穩(wěn)定的因素，這些不穩(wěn)定因素通常是快變隨機過程。高速飛行 器飛行條件和流場條件的變化將導(dǎo)致等離子物理參數(shù)的動態(tài)變化，其中最為主要的是電子 密度的動態(tài)變化。前述經(jīng)典電磁計算方法將不能直接應(yīng)用于高超聲速飛行器的動態(tài)等離子 體中的電波傳播問題。這種動態(tài)時變等離子體中的電波傳播問題一直是這一領(lǐng)域的難點問 題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對高超聲速飛行器動態(tài)等離子鞘套電波傳播問題，本發(fā)明提出一種快速的動態(tài) 等離子鞘套電波傳播計算方法，該方法從電子密度變化快慢的物理機理出發(fā)，建立動態(tài)等 離子鞘套電子密度的數(shù)學(xué)模型，然后在此基礎(chǔ)上采取準穩(wěn)態(tài)蒙特卡洛方法和經(jīng)典電磁計算 方法獲取這種復(fù)雜隨機變化介質(zhì)的電波傳播的時變場強結(jié)果。該方法是一種簡單有效快速 的電波計算方法，可解決動態(tài)等離子體的電波傳播計算，避免直接采用隨機介質(zhì)建模方法 計算的高難度和高復(fù)雜度。
[0005] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0006] -種快速的動態(tài)等離子鞘套電波傳播計算方法，包含周圍包裹有等離子體層的飛 行器，所述方法包括如下步驟：
[0007] Sl輸入T。時刻非均勻的電子密度分布函數(shù)、攻角變化規(guī)律和抖動方差，建立動態(tài) 等離子鞘套電子密度廣義高斯數(shù)學(xué)模型；
[0008] S2根據(jù)電子密度數(shù)學(xué)模型的廣義高斯隨機過程，產(chǎn)生一個攻角變化周期時間t。內(nèi) 的N個非均勻電子密度樣本：
[0009] Nesample (z，t) = [Ne1 (z，t!)，Ne2 (z，t2)，···，NeN(z，tN) ]，tN< 10;
[0010] 其中Ne1(Zd1), i = 1，2，...，NSt1時刻非均勻電子密度樣本，Z表示電子距離 飛行器表面的距離；
[0011] S3針對h時刻非均勻電子密度樣本Ne i (Lt1), i = 1，2，...，N，建立均勻分層電 磁參數(shù)模型；
[0012] S4利用步驟S3中的均勻分層電磁參數(shù)模型，通過計算得到t。時間內(nèi)電波傳播N 個時變場強幅度結(jié)果Yanip (i)和時變場強相位結(jié)果Ypha (i)。
[0013] 需要說明的是，步驟Sl具體如下：
[0014] 1. 1)輸入T。時刻等離子高度和速度下的非均勻的穩(wěn)態(tài)電子密度#^,(ζΚΛ妁和碰 撞頻率
表示Τ。時刻（錢_方位角度上的與飛行器表面的距離為Z 的電子密度，％表示Τ。時刻（認的方位角度上的與飛行器表面的距離為ζ的碰撞頻 率；
[0015] 1. 2)輸入攻角變化規(guī)律函數(shù)f (t)，得到等離子體緩變擬合參數(shù)a(t)和b(t)，a(t) 表示幅度變化因子函數(shù)，b (t)表示厚度變化因子函數(shù)，t表示時間；
[0016] 1. 3)輸入電子密度的歸一化抖動方差σ，建立動態(tài)時變電子密度的數(shù)學(xué)模型：
[0019] 其中(武州為t時刻(久妁方位角度上的與飛行器表面距離為ζ的電子密 度，u為某時刻的非均勻電子密度分布函數(shù)，由#% ,幅度變化因子函數(shù)和厚度變化 因子函數(shù)確定，Gauss表示高斯函數(shù)。
[0020] 進一步需要說明的是，需要說明的是，步驟1.2)中，有
[0022] b(t) = bXf (t)+l, -I < b < 0 ；
[0023] aJP a 2為取值范圍為0到1的系數(shù)，b為取值范圍為-1到0的系數(shù)。
[0024] 需要說明的是，步驟S3的具體實施如下：
[0025] 3. 1)輸入電磁波角頻率ω，以及均勻分層的劃分層數(shù)N_;
[0026] 3. 2)根據(jù)產(chǎn)生的電子密度樣本，得到h時刻樣本下第m層等離子特征頻率ω p,
其中ε c為真空中絕對介電常數(shù)，P表示等離子體，Ne ^(z， D為h時刻樣本下第m層z處的電子密度，e為自由電子電荷數(shù)，Iiif3為自由電子質(zhì)量；
[0027] 3. 3)建立分層介電常數(shù)模型，&時刻樣本下第m層的復(fù)介電常數(shù)：
[0030] <力,）為h時刻樣本下第m層相對復(fù)介電常數(shù)，下標r表示相對，V "為時刻t時等 離子碰撞頻率，ω為入射電磁波角頻率，/ = 了為復(fù)數(shù)虛部單位。
[0031] 需要說明的是，步驟S4包括如下步驟：
[0032] 4. 1)計算h時刻樣本下第m層等離子電磁波幅度衰減a Jt1)和相移Mt1),其 中m表示等離子層數(shù)，me (1，Ν_);
[0033] 4. 2)得到h時刻樣本下電磁波穿過整個等離子體的電磁波幅度衰減Yallip U1)和相 位偏移YphaU1):
[0036] 4. 3)重復(fù)步驟4. 1)和4. 2)，得到t。時間內(nèi)N個時變場強幅度結(jié)果Y _⑴和時變 場強相位結(jié)果Ypha (i)
[0039] 進一步需要說明的是，步驟4. 1)中，a Jti)和PmUi)計算如下：
[0042] 其中，光速c = 3Χ 108m/s，Re[ ·]表示取實部，Im[ ·]表示取虛部。
[0043] 本發(fā)明的有益效果在于：
[0044] 1、利用廣義高斯過程建立電子密度變化的動態(tài)隨機過程，克服了無法從飛行實驗 中獲取數(shù)據(jù)的困難；
[0045] 2、利用準穩(wěn)態(tài)蒙特卡洛計算方法計算時變等離體中的電波傳播問題，大大地降低 直接隨機介質(zhì)建模和計算的困難；
[0046] 3、對于不同條件的動態(tài)等離子體，可以用統(tǒng)一的數(shù)學(xué)形式來進行描述；
[0047] 4、適用于再入動態(tài)等離子鞘套電波傳播計算，也可適用于臨近空間飛行器長期飛 行的動態(tài)等離子鞘電波傳播計算，所提出的方法可為動態(tài)等離體體中信號傳輸特性、信道 特性及信道模型研究的提供電波理論計算支撐。
【附圖說明】
[0048] 圖1為本發(fā)明的實施流程示意圖；
[0049] 圖2為本發(fā)明一定條件下T。時刻非均勻電子密度分布示意圖；
[0050] 圖3為本發(fā)明正弦規(guī)律攻角變化規(guī)律示意圖；
[0051] 圖4為本發(fā)明Τ。時刻開始0.1 s內(nèi)時間內(nèi)電子密度動態(tài)變化示意圖；
[0052] 圖5為本發(fā)明&時刻均勻分層介電常數(shù)模型原理示意圖；
[0053] 圖6為本發(fā)明一定條件下計算的得到的時變幅度結(jié)果；
[0054] 圖7為本發(fā)明一定條件下計算的得到的時變相移結(jié)果。
【具體實施方式】
[0055] 以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的描述，需要說明的是，本實施例以本技術(shù)方 案為前提，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍并不限于本實 施例。
[0056] 如圖1所示，一種快速的等離子鞘套電波傳播計算方法包括如下步驟：
[0057] SlOl輸入T。時刻非均勻的電子密度分布函數(shù)、攻角變化規(guī)律和抖動方差，建立動 態(tài)等離子鞘套電子密度數(shù)學(xué)模型。
[0058] SI. 1 :輸入T。時刻等離子高度和速度下的非均勻的穩(wěn)態(tài)電子密度(z|夂的，如 圖2所示，碰撞頻率>^(2成的恒定=2G，Α^(ζ|艮的表示τ。時刻說(6))方位角度上的與飛 行器表面距離為z的電子