基于FCC-FDTD高速目标等离子体鞘套迎风区与背风区电磁特性研究

The study of hypersonic targets’ electromagnetic (EM) characteristics has always been an important requirement of space-based, ground-based and sea-based radar for real-time monitoring of high-speed targets and solving the problem of re-entry "blackout". During flight of hypersonic vehicle in near space, the ionization degree of air in the head and tail of aircraft is different, which results in a large gradient distribution and time-varying characteristics of the parameters in the plasma flow on the windward and leeward surfaces of the aircraft. In this case, many traditional numerical and analytical methods are difficult to obtain perfect results. For this reason, we introduce a new mesh for the discrete derivation of Maxwell equation- Face-centered cube (FCC) mesh. FCC grid is a kind of a spatial distribution grid similar to crystal structure. Because of the dense distribution of field components in the FCC mesh, the stability condition of the FCC mesh is better than that of the traditional Yee cell for the complex media, especially when the medium parameters have large gradient changes. During the research the FCC-FDTD method is adopted to calculate and analyze the EM characteristics of high-speed targets combined with the non-uniform and time-varying plasma model.

高超声速目标的电磁散射特性研究一直是天基、地基和海基雷达对高速目标实时监测、解决再入“黑障”问题的一个重要需求。由于飞行器在高速飞行时，其头部至尾部对空气的电离度是不同的，这就形成了飞行器迎风面与背风面等离子体流场中各个参数在空间中大梯度分布且时变的特性。在这种情况下，很多传统的数值方法和解析方法难以对飞行器迎风区与背风区的电磁散射场得到理想的计算结果。为此我们引入一种新网格进行Maxwell方程的离散推导——面中心立方体（Face-centered cube, FCC）网格。FCC网格是一种类似于晶体结构的空间分布网格，同时由于FCC网格的间隔采样点多，在处理复杂介质，尤其是介质参数存在大梯度变化时，其稳定性条件比传统的Yee元胞更好，对非均匀介质引起的色散误差也有很大的提升。本项目将采用FCC-FDTD方法对非均匀大梯度和时变特性的等离子体鞘套及其高速目标电磁散射特性展开计算和分析。

利用传统Yee元胞的方式处理含非均匀等离子体复杂目标的电磁散射问题时，由于网格的阶梯状交互排列导致一定的数值色散误差，影响整体的计算精度和稳定性。在此研究背景下，主要研究了基于面中心网格的时域有限差分方法，使之能够处理含非均匀等离子体复杂目标的电磁散射问题，减少了传统时域有限差分方法的数值色散误差，提高了计算精度和计算的稳定性。并针对传统Yee元胞的方式处理含非均匀等离子体复杂目标的电磁散射问题时，由于网格的阶梯状交互排列导致一定的数值色散误差，影响整体的计算精度和稳定性的问题，推导了基于FCC-FDTD算法的离散迭代式，和基于等离子体的FDTD方法的电场分量，以及磁场分量和电流密度之间的离散迭代式关系，分析了FCC网格方法不仅在处理介质色散误差方面有很大的提高，而且其稳定性条件比Yee元胞的FDTD方法要好。同时，在实际编程仿真计算过程中，FCC-FDTD方法的计算精度也有所提高。最后将FCC-FDTD方法推广到等离子体目标的电磁散射计算中，结合等离子体流场模型数据，对含非均匀、时变等离子体目标的电磁特性进行了计算分析、重点研究L,S,C波段不同高超声速目标飞行器典型目标（包括类RAM-C、类HTV-2等）在包覆时空非均匀等离子体鞘套下的电磁散射特性，并考虑入射波的极化问题。这些研究成果可用于计算和分析非均匀介质，尤其是介质参数随空间大梯度变化的电磁特性，例如高超声速飞行器及其非均匀等离子体流场的迎风区和背风区电磁散射问题。在改善因传统Yee元胞网格的阶梯状交互排列导致一定的数值色散误差方面有一定的改善。此外，还能提高计算精度和计算的稳定性。