[發明專利]一種基于時域彈跳射線法的等離子體電磁散射建模方法

在審

• 申請號: 201811184487.8
• 申請日: 2018-10-11
• 公開（公告）號: CN109581340A
• 公開（公告）日: 2019-04-05
• 發明（設計）人: 謝志杰;王彪;高偉
• 申請（專利權）人: 上海無線電設備研究所
• 主分類號: G01S13/00
• 分類號: G01S13/00
• 代理公司: 上海元好知識產權代理有限公司 31323
• 代理人: 張妍;劉琰

1.一種基于時域彈跳射線法的等離子體電磁散射建模方法，其特征在于，包含以下步驟：

步驟S1、在時變等離子體中進行射線追蹤和場強追蹤；

根據俯仰角、方位角和目標形狀信息確定虛擬孔徑面，從虛擬孔徑面向目標區域投射射線，利用射線對電磁波在時變等離子體中的傳播過程進行模擬，對射線進行遞歸追蹤，獲取射線在目標區域的多次反射交點信息，并沿射線路徑進行場強追蹤，獲取射線在多層介質中各個交點位置的電場信息；

步驟S2、進行遠場區時域積分求解等離子體包覆目標的寬帶散射場；

針對出射射線，利用遠場區時域積分求解其在雷達接收機方向的時域散射貢獻，獲取總散射場，實現等離子體包覆目標的寬帶散射場的快速建模。

2.如權利要求1所述的基于時域彈跳射線法的等離子體電磁散射建模方法，其特征在于，所述的進行射線追蹤和場強追蹤的方法包含以下步驟：

對于等離子體繞流流場區域普通層，等離子體相對介電常數是一復數，即：

式中：ω為電磁波頻率；ω_p為等離子振蕩角頻率，q_e為電子電荷，ε₀為真空介電常數，m_e為電子質量，N_e為電子數密度(cm^-3)；ν為電子與中性粒子和其它粒子的碰撞頻率，純空氣中碰撞頻率與溫度、壓力的經驗關系式是ν＝5.82×10¹²T^-1/2P，式中T為溫度，2000K＜T＜6000K，P為壓強；

等離子中電磁波的波矢是一復數，即k＝β-iα，

式中，ε_r′為介電常數實部，ε_r″為介電常數虛部，k₀為自由空間波數；

對于等離子體繞流流場區域邊界層，等離子繞流流場湍流脈動會引起的等離子體鞘套的時變特性，對于位于繞流流場邊界層的時變等離子體，等離子體的電子數密度N_e是一個隨時間變化的函數，表示為指數形式級數，其形式如下：

式中，c_n為級數的系數，s為與等離子體振蕩頻率相關的系數；

針對等離子體鞘套邊界層的時變現象，時變等離子體的特征頻率表示為：

式中，為常數，其中e、m_e分別為電子電荷和電子質量；ε₀為真空介電常數；

根據時變等離子體的特征頻率，求得其對應的復介電常數為：

式中，b為與時間無關的復數，N_e(t)為邊界層的電子數密度，ω為電磁波頻率，ν為電子與中性粒子和其它粒子的碰撞頻率；

設介質表面的法向單位矢量為入射方向為反射方向為折射方向為入射角為θ_i，折射角為θ_γ，上層介質的介電常數和磁導率分別為和下層介質的介電常數和磁導率分別為和

在電磁波與介質平面的入射問題中，平行極化波的傳輸特性與垂直極化波存在差異，將入射場分解為平行于入射面的極化分量和垂直于入射面的極化分量，分別計算平行極化分量和垂直極化分量的反射與透射，并通過矢量疊加合成為最終的反射場與透射場；

入射電場的分解形式為：

式中：為入射電場垂直極化方向的單位矢量；為入射電場平行極化方向的單位矢量；

反射電場表示為：

式中：和分別為當前交點的垂直極化和平行極化的復電場反射系數；

透射電場表示為：

式中：和分別為當前交點的垂直極化和平行極化的復電場傳輸系數；

電磁波入射到介質表面的反射系數為：

式中：為兩種介質的相對介電常數之比。

電磁波斜入射到介質分界面的透射系數為：

式中：分別為垂直極化波和平行極化波的菲涅耳系數；

對于時變等離子體，其平行極化和垂直極化下的反射系數表示為：

通過指數級數擬合將反射系數表示為如式(2)所示的形式，以便于在程序內部對其進行存儲與計算，用同樣的方式，對時變等離子體中的折射系數進行指數級數分解；

電磁波在介質內部的傳播過程中，其場量描述為如下形式：

式中：j為負的虛數單位；r為電磁波在第i層介質中的傳播矢量；為第i層介質中的波數，描述為：

式中：和分別為相位和振幅傳播常數；和分別為相位和振幅的傳播方向，對于均勻平面波兩者方向相同，對于非均勻平面波，兩者存在一定夾角。

3.如權利要求2所述的基于時域彈跳射線法的等離子體電磁散射建模方法，其特征在于，所述的進行遠場區時域積分的方法包含以下步驟：

頻域函數f(r,ω)和時域函數f(r,t)存在如下的傅里葉變換關系：

式中，r為遠場點位置，t為時間，ω為頻率，j為虛數單位；

遠區總散射場表示為：

式中：為觀察方向的單位矢量；k₀為波數；Z₀為自由空間波阻抗；R_r為目標到天線的距離；為面片法向；H_i(r′,ω)為坐標r′的射線出射點所產生的感應磁流；

對上式作傅里葉變換，得到：

將H_i(r′,ω)中的相位分離出來，表示為：

式中，l_GO為射線在路徑追蹤過程中的傳播距離；為入射單位方向矢量；r₀為入射射線與目標表面第一次相交的位置；

將k₀＝ω/c和式(16)代入式(15)可得：

式(17)進一步改寫為：

由式(13)可知，式(18)可寫為：

式中，為總的時間延遲；h_i(r′,t-τ)為射線管出射點的感應磁場。