基于折射近似计算电磁波在等离子体中传播的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于折射近似计算电磁波在等离子体中传播的方法，其实现过程是：通过建立的计算模型划分面元；利用求解的镜像点生成射线路径；判断射线是否有效；折射近似每条有效射线的传播路径；对每条有效射线的电场进行电场追踪；计算接受天线位置点总电场。本发明专利技术通过对电磁波在等离子体中的传播路径进行折射近似，简化了射线传播的路径与计算过程，使得本方法的可计算区域更大，可计算的入射电磁波频率更高，所需计算资源更少，计算速度更快。度更快。度更快。

【技术实现步骤摘要】
基于折射近似计算电磁波在等离子体中传播的方法


[0001]本专利技术属于计算
，更进一步涉及光学计算设备
中的基于折射近似计算电磁波在等离子体中传播的方法。本专利技术可用于计算高速目标等离子体中的电磁波传播。

技术介绍

[0002]为解决高超声速飞行器等离子体鞘套造成的“黑障”效应与目标探测困难等问题，往往采用计算电磁学方法来计算电磁波在等离子体中的传播问题。高速目标等离子体是一种随机色散介质，当电磁波入射等离子体中时，会受到等离子体内部非线性效应、随机效应、时变效应等一系列复杂物理化学过程的影响，等离子体本身也具有等离子体频率、碰撞频率等复杂的特性参数。因此计算电磁波在等离子体中的传播一直是航空领域的重难点问题。目前对于等离子体中的波传播，普遍采取的方法是时域有限差分法(FDTD)。
[0003]西安理工大学在其申请的专利文献“电磁波在随机色散介质中传播的PCE
‑
FDTD方法”(申请日：2020年6月30日，申请号：202010622123.4,申请公布号：CN 111783339 A)中公开了一种基于PCE
‑
FDTD计算电磁波在随机色散介质中传播的方法。该方法的实现步骤是：第一，输入模型文件，初始化参数，计算仿真中所用到的内积；第二,添加场源到中设置好源的位置；更新计算整个计算区域的y方向上电场分量展开系数,更新计算整个计算区域的x方向上电场分量展开系数,更新计算整个计算区域的z方向上磁场分量展开系数；第三，将时间迭代步t+1赋值给t，并判断迭代次数t是否达到预设值，若未达到预设值，则返回；若达到预设值，则执行下一步；第四，计算观测点电场的均值和标准差。该方法避免了相关系数估计所产生的误差，可应用于于各类随机色散媒质，在入射电磁波频率较低时具有良好的计算精度与计算速度。但是，该方法仍然存在的不足之处也有两方面。首先，该方法只能计算低频情况，当入射的电磁波频率较高时，会大幅的增大运算量，计算精度也会下降。其次，该方法也不适用于所需计算的等离子体区域较大时的情况，在剖分网格之后，会产生极大的运算量，耗费巨大的计算资源，计算缓慢，而且求解区域内部各个网格点相互耦合，不方便采用并行计算等方式提高运算速度。FDTD方法在满足网格计算收敛条件的情况下，以10GHz电磁波入射时为例，如果需要计算棱长为5m的立方体区域内的电波传播情况，所需划分网格数就达到10亿，这明显需要超大的计算资源和极长的计算时间，有时甚至是不可实现的。常规的电磁计算方法，如时域有限差分法(FDTD)、矩量法(MOM)、物理光学法(PO)等，都有此弊病。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于折射近似计算电磁波在等离子体中传播的方法，用于解决常规电磁学方法计算电磁波在等离子体中传播时可计算的频率低、计算区域小、计算速度慢的问题。
[0005]实现本专利技术目的的思路是，本专利技术采用折射近似每条有效射线的传播路径，当入
射电磁波频率与等离子体频率相差较大时，电磁波等相位面的传播方向在等离子体中的偏折极小，因此可以忽略等相位面传播方向在等离子体中的偏折，简化了电磁波在等离子体中的传播路径，解决了常规电磁学方法计算电磁波在等离子体中传播时可计算的频率低的问题。本专利技术采用对每条有效射线的电场进行电场追踪的方式，每个点的电场传播计算互不干扰，天然的过滤了一部分无效射线，解决了常规电磁学方法计算电磁波在等离子体中传播时计算区域小、计算速度慢的问题。
[0006]实现本专利技术目的的技术方案如下：
[0007]步骤1，通过建立的计算模型划分面元：
[0008]步骤2，利用求解的镜像点生成射线路径：
[0009]步骤3，将满足有效条件的射线判定为有效射线；将不满足有效条件的射线判定为无效射线，舍去无效射线；
[0010]步骤4，折射近似每条有效射线的传播路径：
[0011]当入射电磁波满足频率近似条件电磁波在等离子体中传播时，电磁波相位传播方向k
R
方向保持不变，电磁波振幅衰减方向k
I
的方向由复Snell折射定律确定，对途径等离子体介质区域的有效射线路径进行折射近似；
[0012]步骤5，对每条有效射线的电场进行电场追踪：
[0013]计算单条射线在接收天线位置点处的电场强度，利用射线追踪电场公式对有效射线l进行电场追踪；
[0014]步骤6，对单条有效射线的电场计算结果进行矢量求和，得到接收天线位置点处的总场强。
[0015]与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：
[0016]第一，本专利技术折射近似每条有效射线的传播路径，对电磁波的传播路径进行简化，避免了FDTD算法在入射电磁波升高、计算区域变大时，运算量增大、电场精度降低的问题，使得本专利技术当电磁波频率适当提高时，会有助于提高本专利技术计算精度，显著提高可计算的入射电磁波频率。
[0017]第二，本专利技术对每条有效射线的电场进行电场追踪，是一种点到点的射线追踪方法，计算区域内各个点之间的电场计算互不干扰，对各个点采用并行计算十分方便，由于发射天线位置不变，因此镜像点一经求解，可以多次复用。避免了由于计算区域变大导致的网格点多、计算量大、计算缓慢、不利并行求解等问题。从而使本专利技术可求解的等离子体区域显著增大，计算速度显著提高。即使高频电磁波入射时计算速度也较快，所需的计算资源较少，可以高效快速得到目标区域内部的电波传播情况。
附图说明
[0018]图1是本专利技术流程图；
[0019]图2是本专利技术的仿真图，其中，图2(a)是本专利技术仿真实验的金属腔体计算模型建模图；图2(b)是本专利技术仿真实验的本专利技术计算金属腔体内横截面电场图；图2(c)是本专利技术仿真实验的利用HFSS计算金属腔体内横截面电场图；图2(d)是本专利技术仿真实验的计算圆球目标一维距离像散射结果时圆球目标建模示意图；图2(e)是本专利技术仿真实验的利用本专利技术方法计算圆球目标一维距离像散射结果与现有技术实验测量结果对比图。
具体实施方式
[0020]下面结合附图和实施例，对本专利技术做进一步的详细描述。
[0021]参照图1，对本专利技术实施例的实现步骤做进一步的详细描述。
[0022]步骤1，建立电磁波传播区域的几何模型，对计算区域内的等离子体目标进行建模，依据所需计算的实际环境中等离子体特性参数，设置计算模型中等离子体的电子数密度与碰撞频率。
[0023]步骤2，对所需求解的电磁波传播计算区域内的实体结构表面上在同一个平面中的面元视为一个面元，进行面元划分，设划分面元总数为n。
[0024]步骤3，依据所需求解的电场区域，设置发射天线所在位置点T与接收天线位置点R；依据所需求解的入射电磁波的类型，设置天线发射源的类型；依据计算精度确定射线追踪所需考虑的射线反射次数为m次，m为整数且m≥3。
[0025]步骤4，求解镜像点，求解天线发射位置点T关于每一个面元所在平面的对称点，将这些求解出来的对称点称为一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于折射近似计算电磁波在等离子体中传播的方法，其特征在于，折射近似每条有效射线的传播路径，对每条有效射线的电场进行电场追踪；该传播方法的步骤包括如下：步骤1，通过建立的计算模型划分面元：步骤2，利用求解的镜像点生成射线路径：步骤3，将满足有效条件的射线判定为有效射线；将不满足有效条件的射线判定为无效射线，舍去无效射线；步骤4，折射近似每条有效射线的传播路径：当入射电磁波满足频率近似条件在等离子体中传播时，电磁波相位传播方向k
R
方向保持不变，电磁波振幅衰减方向k
I
的方向由复Snell折射定律确定，对途径等离子体介质区域的有效射线路径进行折射近似；步骤5，对每条有效射线的电场进行电场追踪：计算单条射线在接收天线位置点处的电场强度，利用射线追踪电场公式对有效射线l进行电场追踪；步骤6，对单条有效射线的电场计算结果进行矢量求和，得到接收天线位置点处的总场强。2.根据权利要求1基于折射近似计算电磁波在等离子体中传播的方法，其特征在于，步骤1中所述的建立计算模型指的是，建立所需求解电磁波传播区域的几何模型，对计算区域内的等离子体目标进行建模，依据所需计算的实际环境中等离子体特性参数，设置计算模型中等离子体的电子数密度与碰撞频率；依据所需求解的电场区域，设置发射天线所在位置点T与接收天线位置点R；依据所需求解的入射电磁波的类型，设置天线发射源的类型；依据计算精度确定射线追踪所需考虑的射线反射次数为m次，m为整数且m≥3。3.根据权利要求1基于折射近似计算电磁波在等离子体中传播的方法，其特征在于，步骤1中所述的划分面元指的是，对所需求解的电磁波传播计算区域内的实体结构表面上在同一个平面中的面元视为一个面元，进行面元划分，设面元总数为n。4.根据权利要求1基于折射近似计算电磁波在等离子体中传播的方法，其特征在于，步骤2中所述的求解镜像点指的是，求解天线发射位置点T关于每一个面元所在平面的对称点，将这些求解出来的对称点点称为一次镜像点T1，共有n个一次镜像点；再分别求解每个一次镜像点关于每一个面元的对称点，将这些求解出来的对称点称为二次镜像点T2；依次求解，直到求解出m次镜像点T
m
，共有n(n
‑
1)
m
‑1个m次镜像点。5.根据权利要求1基于折射近似计算电磁波在等离子体中传播的方法，其特征在于，步骤2中所述的生成射线路径指的是，分别连接m次镜像点T
m
与接收天线位置点R，判断连线与该镜像点对应的面...

【专利技术属性】
技术研发人员：李江挺，邱昌奎，郭琳静，程明建，郭立新，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：