弯曲表面磁化等离子体薄涂层电磁散射的并置SIBC-NFDTD方法及散射特性研究

The study of electromagnetic characteristics of targets coated with plasma is of significant value for plasma stealth and reentry vehicle “blackout" problem in communication. In the process of analyzing the electromagnetic problems of curved magnetized plasma thin layers over conductors, computational deficiencies are often encountered in the conventional finite-difference time-domain (FDTD) method. In view of this problem, the time-domain surface impedance boundary conditions of magnetized plasma thin layers on conductor surfaces and the non-orthogonal FDTD method in curvilinear coordinate system will be discussed. The collocated SIBC-NFDTD method and the corresponding algorithm in general curvilinear coordinate system will also be proposed in this project. The wideband and multi-polarizational electromagnetic scattering characteristics are analyzed for thin magnetized plasma layers over conductors with curved structures using the proposed method. The effect of the various parameters (magnetized plasma parameters, geometric parameters of the curved structure and the thickness of coating etc.) on the electromagnetic characteristics of magnetized plasma thin coating is verified. Finally, a method with high efficiency and high precision will be provided for analysing dynamic electromagnetic scattering characteristics of a curved magnetized plasma thin layer. Utilizing the analysis of electromagnetic scattering characteristics of typical targets, the necessary theoretical basis is provided for the application of this field.

基于等离子体涂覆目标电磁特性的研究在提升等离子体隐身技术和解决再入飞行器通信“黑障”问题的重要应用价值, 针对常规时域有限差分（FDTD）方法对弯曲表面等离子体薄涂层电磁散射问题分析能力的不足，本课题拟通过磁化等离子体薄层涂覆导体目标的时域表面阻抗边界条件和曲线坐标系下非正交FDTD方法的研究，建立一般曲线坐标系下的、适用于表面弯曲磁化等离子体薄涂层电磁散射特性研究的并置节点SIBC-NFDTD方法及其算法。运用该方法系统分析典型弯曲表面磁化等离子体薄层涂覆导体目标的宽带、多极化的电磁散射特性，探明各种参数（磁化等离子体参数、弯曲结构的几何参数、涂层厚度等）对磁化等离子体薄涂层电磁特性的影响。最终为弯曲表面磁化等离子体薄涂层的动态电磁散射特性分析提供一种高效率、高精度的分析方法，并通过典型目标的电磁散射特性分析给予验证，为该领域的应用提供必要的理论依据。

本项目基于等离子体电磁特性的重要应用价值，并针对常规时域有限差分（FDTD）方法对相关问题分析能力的不足，开展了等离子体电磁特性的改进FDTD方法及参数反演研究，取得的研究成果包括：(1) 提出基于面中心立方体（FCC）网格的FDTD连接边界和吸收边界，该方法相比于利用Yee网格对Maxwell方程进行差分离散的传统FDTD方法，有效提高了算法的精度和稳定性；基于各向异性介质中的FDTD方法及近似完全匹配层（NPML）原理，提出一种有效截断各向异性介质的修正的近似完全匹配层吸收边界条件。(2) 研究等离子体薄涂层涂覆目标电磁散射的并置节点SIBCs-FDTD方法和非均匀时变尘埃等离子体电磁波传播特性。通过建立等离子体涂覆目标的等效表面阻抗模型，推导了相应的并置节点SIBCs-FDTD迭代公式，有效解决了常规FDTD方法在处理等离子体薄涂层时因网格剖分过细而导致计算所需内存和时间急剧增大的问题。另外，采用SO-FDTD方法分析了不同尘埃等离子体参数：尘埃粒子浓度、尘埃粒子半径、电子密度和电子密度的变化速率对电磁波在非均匀时变尘埃等离子体中传播特性的影响。(3) 提出基于梯度优化算法与FDTD方法相结合的等离子体时域参数反演算法。利用拉格朗日乘子法推导出等离子体的参数梯度，并运用共轭梯度优化算法对参数进行更新迭代得到等离子体参数反演结果，最后通过数值仿真实验对反演算法的有效性进行了验证分析。本项目的研究为实际工程问题中等离子体电磁特性分析、参数测定等问题提供了有效的方法。

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