斜入射非线性电离层Langmuir扰动的电磁波传播特性

基于广义Zakharov模型,结合斜入射等离子体的时域有限差分(FDTD)方法与双流体力学方程,通过由二维麦克斯韦方程等价转换的一维麦克斯韦方程,与等离子体流体力学方程建立了一个电磁波以不同角度入射电离层传播的数值模型.分析推导出TE_z波在斜入射非线性电离层等离子体的支配方程,然后推导了适用于计算电离层电磁波传播特性的FDTD算法.通过仿真来证明该方法在较小倾角下,电磁波对电离层加热形成Langmuir扰动及其传播特性的准确性和有效性.结果表明,在小角度入射下,大功率高频电磁波在电离层等离子体中的O波反射点附近激发出了Langmuir波,同时波粒相互作用导致O波转换为Z波并向电离层更高区域传播.本文进一步研究了基于电离层等离子体的电磁波传播特性,为全面深入分析电离层Langmuir扰动对电离层电波传播特性影响奠定数值算法的基础.     

等离子体鞘层中电磁传输特性的数值仿真和实验验证

采用Z变换时域有限差分(Z-FDTD)数值模拟方法,研究了电磁波在非均匀等离子体中的传输特性。在此基础上,对L波段(1.575GHz)电磁波,在等离子峰值密度为1011/cm3且沿径向呈Bessel函数分布的柱形等离子体源下,进行了2,4,6,8,10cm厚度下的传输特性实验,得到电磁波衰减分别为9,15.8,24.9,36.4,45.5dB,并与仿真结果对比,吻合良好。     

弱电离等离子体对电磁波吸收的物理模型和数值求解

从物理基本方程、理论证明和数值分析三方面说明了在一维平板模型中，含时波动方程和亥 姆霍兹方程是等价的，即使电磁波波长小于等离子体的尺度，电磁波的全波解也具有简谐形 式. 对电磁波在弱电离强碰撞等离子体中的传播特性进行了数值研究，结果表明，弱电离强 碰撞等离子体对电磁波具有很强的吸收特性. 关键词： 电磁波 弱电离等离子体 过阻尼     

非均匀网格时域伪谱算法在超宽带技术中的应用

 与传统时域有限差分算法相比，采用以伪谱方法离散Maxwell微分方程为基础的时域伪谱(PSTD)算法计算大的电尺度电磁场时域问题，将大大提高计算效率，降低内存需求。为了拓宽PSTD算法的应用，近年来，基于网格插值方法的非均匀时域伪谱算法得到了发展。研究的重点是算法中非均匀网格技术的实现及其在时域瞬态脉冲电磁场模拟和高功率超宽带脉冲技术方面的应用。以高斯脉冲为激励源，用该算法计算了多层介质的反射和透射，并通过超宽带脉冲穿墙实验对这一方法的应用进行了验证。模拟和实验结果具有较好的一致性。     

二维各向异性磁等离子体的无条件稳定ADE-CNAD-FDTD算法

针对二维各向异性磁等离子体提出一种有效的无条件稳定算法,新算法结合了辅助微分方程(ADE)方法与Crank-Nicolson approximate-decoupling(CNAD)时域有限差分算法仿真各向异性磁等离子体介质。传统的ADE-FDTD方法应用在一维各向异性色散介质具有较高的精度和效率,将提出的新算法ADE-CNAD-FDTD应用到二维各向异性磁等离子体介质中不仅解决了电磁波在具有各向异性和频率色散特性介质中传播的仿真难题,而且去除了CFL稳定性条件。该算法在保留了原有的精度情况下大幅度地提高了计算效率并成为无条件稳定的形式。给出一个算例证明该算法的有效性,通过模拟电磁波在磁等离子体中的传播,仿真结果与传统的ADE-FDTD算法对比,证实了该算法的高效率、无条件稳定性和高精度。     

等离子体的分段线性电流密度递推卷积FDTD算法

给出了一种新的色散介质的时域有限差分(FDTD)算法，称为分段线性电流密度递推卷积FDTD算法.利用电流密度和电场强度的卷积关系，给出了该算法的计算公式.通过计算碰撞冷均匀等离子体平板对电磁波的反射系数和透射系数，验证了该算法的高效性和高精度. 关键词： 色散介质 FDTD算法 电磁波     

各向异性磁等离子体的辅助方程FDTD算法

通过对辅助方程的差分迭代，给出了一种新的各向异性磁化等离子体的辅助方程时域有限差分(FDTD)算法.并与电流密度卷积(JEC)算法进行了比较.通过计算磁化等离子体平板对平行于磁场传播的电磁波的反射和透射系数，验证了该算法的精度与JEC算法基本相同，而计算效率提高数倍. 关键词： 色散介质 时域有限差分算法 各向异性 磁化等离子体     

磁化等离子体对平面电磁波吸收特性的数值研究与全波仿真

研究了平面电磁波在磁化、稳定、二维、非均匀等离子体中的传播特性;采用等效输入阻抗方法计算非均匀磁化等离子体层对不同模式入射电磁波的功率吸收情况。结果表明,电子数密度、碰撞频率和外磁场大小是等离子体对电磁波功率吸收的主要影响因素。采用等效介电常数的方法模拟等离子体特性,代入有限元软件进行平面电磁波入射等离子体仿真,得到了非寻常波与右旋极化波的吸收特性。根据数值计算和全波仿真结果可知,当等离子体密度为1017 m-3、碰撞频率2.5 GHz、外加磁场的磁感应强度为0.15 T时,磁化等离子体对电磁波有强烈的吸收特性。     

一维等离子体光子晶体的带隙研究

采用时域有限差分方法(FDTD),结合等离子体计算中的分段线性电流密度卷积技术(PLJERC)对一维等离子体光子晶体(1D-PPC)进行了数值模拟,给出了微分高斯脉冲在一维等离子体光子晶体中的传播过程。计算得到的带隙结构与K-P模型方法的结果一致。计算并分析了等离子体频率、介质介电常数、等离子体-介质层的厚度比以及周期厚度对一维等离子体光子晶体带隙结构的影响。     

垂直天线阵观测信息反演大气折射率廓线

利用垂直天线阵观测得到的电磁场信息建立目标泛函,从电磁波抛物方程传播模式出发,利用偏微分方程最优控制中的伴随方法研究大气折射率廓线反演问题. 针对反演的不适定性,采用正则化思想对目标泛函进行改造,并根据变分同化思想构建反演迭代格式. 数值模拟试验验证了理论算法的可行性. 由于采用分步Fourier算法求解电磁波抛物方程传播模式和伴随模式过程中产生的固有误差随着传播距离的增加累积增大,反演廓线在传播距离较远时不能收敛于观测廓线. 在这种情况下,引入较好的初猜廓线和背景场可以有效地改进反演结果. 关键词： 大气折射率 电磁波抛物方程 变分伴随 正则化     

Statistical temporal behaviour of pulse wave propagation through continuous random media

Pulse waves propagating through random media suffer distortions, such as fluctuation of arrival time, temporal broadening, and alteration of skewness and kurtosis, due to both the background medium and embedded irregularities. We carry out a study on the temporal behaviour of electromagnetic pulses propagating through random media using temporal moments and an analytic solution of a two-frequency mutual coherence function recently obtained by iteration. We treat the temporal characteristics sequentially, with general expressions obtained first. Then the concise forms are given for pulse propagation in the turbulent non-dispersive atmosphere and the ionosphere, with numerical calculations for the latter. The results show that the mean arrival time is dominated by the term propagating at group velocity, and small corrections arise from higher-order dispersion of the background medium and random scattering of irregularities, but the correction from dispersion of irregularities is neglected as it is so small. As for pulse broadening in trans-ionospheric propagation, the results show that contributions are mainly from the dispersion of the background ionosphere and scattering of electron density irregularities in most cases, and the contribution of dispersion of irregularities is so small that it can be neglected. Finally, we find that the temporal skewness of a trans-ionospheric pulse is negative and its energy is shifted to the leading edge, and the contributions from scattering and dispersion of irregularities dominate over those of background, so the latter can be neglected in most cases.     

高空核爆电磁脉冲穿透电离层数值计算

 电离层对电磁脉冲传播的影响可以用一个频域的电流密度来描述,在时域则等效为一附加的电流密度和电导率。推导了附加电流密度和电导率在时域的表达式,它们是电离层参数和作用电场的函数,并以差分方程的形式给出。高空核爆电磁脉冲(HEMP)的计算是在时域进行的,将该电流密度和电导率计算方法应用于HEMP产生和传播的自洽计算中。作为算例,计算了100 km高空核爆电磁脉冲产生和向上传播的3种情况,并对计算结果进行了比对分析。计算结果表明:电离层时域计算方法与核爆电磁脉冲计算方法的结合是合理有效的,爆点上方考虑电离层影响的HEMP要比不考虑电离层影响的结果小得多。     

脉冲波在空间等离子体介质中传播的矩分析及其应用

根据随机介质波传播理论，开展脉冲波在星际空间等离子体介质中的传播特性的分析方法研究.在强起伏条件下，推导双频互相关函数的二阶矩和四阶矩方程，利用不同电子密度模型，计算双频衍射强度相关函数和闪烁指数，并应用到闪烁的动态谱观测和相关分析中，得到自相关图谱、相关带宽和相关时间等闪烁特征参数，为脉冲在等离子体中的传输特性的分析，提供必要的理论基础.     

激光等离子体二维相对论电磁粒子模拟

研制了激光等离子体二维相对论电磁粒子模拟程序(2DCIC)。追踪几万甚至百万个模拟粒子在外加激光场和自洽场中运动,自洽地计算电荷和电流密度,求解完全的Maxwel方程,电子的相对论运动方程和离子的牛顿运动方程,辅以灵活的诊断研究波-波,波-粒子相互作用的发生、发展和饱和的细节以及时间演化规律。激光可以正入射,也可以斜入射;等离子体可以是均匀密度,也可以具有密度梯度;为了节约机时,还发展了并行运算。物理模型参数可调,既适用于研究激光聚变等离子体相互作用,也适用于超短脉冲超强激光等离子体相互作用和其它等离子体问题。经过多次试算检验,对等离子体平衡态进行了计算研究,对于超短脉冲超强激光的传播也进行了初步模拟计算。     

高功率微波与等离子体相互作用理论和数值研究

研究高功率微波与等离子体的相互作用,对于微波放电和电磁兼容研究均具有重要意义.基于波动方程、等离子体的流体力学方程以及波尔兹曼方程,建立高功率微波脉冲与等离子体相互作用的理论模型,并结合等离子体的特征参数,采用时域有限差分方法分析了等离子体电子密度和高功率微波传输特性的变化.结果表明,由于高功率微波的电子加热作用,等离子体中的非线性效应明显,发生击穿使得等离子体电子密度增大,从而导致微波的反射增强,透过率降低.所提出的模型和相关结果对于高功率微波和电磁脉冲防护具有指导意义.     

脉冲放电产生螺旋流注的等离子体特性研究

通过脉冲放电方式产生三维螺旋形的等离子体放电通道,在高速摄像机拍摄下观察到放电通道中的发光电离体以流注形式沿螺旋轨迹快速传播.建立电磁模型解释螺旋放电的形成机制,对造成对称性破缺及影响其手性性质的极向电场进行分析.研究表明,螺旋放电产生的放电通道存在两种不同的手性特征,而脉冲重复频率等放电参数及边界条件对螺旋流注的传播特性存在影响.脉冲电源驱动的电磁场在介质管内所形成的波模是极向电场形成的一个重要来源,当极向电场与轴向电场强度相近时则形成螺旋流注放电.     

A collective variable approach for optical solitons in the cubic-quintic complex Ginzburg-Landau equation with third-order dispersion

Considering the theory of electromagnetic, especially from the Maxwell equations, a basic equation modeling the propagation of ultrashort optical solitons in optical fibers is derived, namely a cubic-quintic complex Ginzburg-Landau equation (CQGLE) with third-order dispersion (TOD). Considering this one-dimensional CQGLE, we derive the equations of motion of pulse parameters called collective variables (CVs), of a pulse propagating in dispersion-managed (DM) fiber optic-links. Equations obtained are investigated numerically in order to view the evolution of pulse parameters along the propagation distance. A fully numerical simulation of the CQGLE finally tests the results of the CV theory. It appears chaotic pulses, attenuate pulses and stable pulses under some parameter values.     

Two-dimensional electromagnetic breathers in an array of nanotubes with multilevel impurities

The propagation of a two-dimensional bipolar electromagnetic pulse in an array of semiconductor carbon nanotubes with multilevel impurities is studied. The electromagnetic field in the array of nanotubes is described by Maxwell’s equations reduced to a non-one-dimensional wave equation. The numerical solution to the wave equation demonstrates the possibility of the propagation of a two-dimensional electromagnetic breather in the array of nanotubes. The character of the evolution of the shape of the breather is elucidated, and the time dependence of the maximum intensity of its field is obtained. It is demonstrated that the introduction of multilevel impurities causes a significant change in the parameters, thereby providing an additional possibility for the stabilization of a laser pulse propagating in an array of semiconducting carbon nanotubes.