一種燒蝕飛行器表面的電磁散射仿真方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于等離子體鞘套電磁仿真領(lǐng)域，具體涉及電磁散射數(shù)值仿真，用于獲取 等離子體鞘套中燒蝕顆粒的電磁散射參數(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 高超聲速飛行器(如航天飛機(jī)、載人飛船等)再入大氣層或者在臨近空間高速飛行 時(shí)，飛行器前端形成很強(qiáng)的脫體激波，激波的壓縮以及飛行器與周圍空氣之間的劇烈摩擦 使得飛行器的動(dòng)能大量轉(zhuǎn)化為熱能，使飛行器周圍空氣溫度迅速升高，導(dǎo)致飛行器表面周 圍空氣發(fā)生離解和電離，同時(shí)會(huì)使熱防護(hù)材料發(fā)生燒蝕并電離，飛行器周圍被這些含量復(fù) 雜的電離氣體以及燒蝕顆粒所包圍，其周圍形成了一個(gè)電離程度很強(qiáng)、電子分布極不均勻、 結(jié)構(gòu)和物質(zhì)瞬態(tài)變化等離子體薄層，即所謂的"等離子體鞘套"。等離子體鞘套對(duì)電磁波具 有強(qiáng)烈的散射作用，這將導(dǎo)致飛行器與外界控制設(shè)備以及通信設(shè)備的信號(hào)受到嚴(yán)重干擾， 而燒蝕顆粒又是等離子體鞘套的重要組成部分。因此，等離子體鞘套中燒蝕顆粒的電磁散 射問(wèn)題研究在國(guó)防領(lǐng)域和民用領(lǐng)域具有顯著的學(xué)術(shù)價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景。
[0003] 在過(guò)去的幾十年中，地面植被的電磁散射問(wèn)題研究已經(jīng)相當(dāng)成熟。其中，森林散射 模型MIMICS(Michigan Microwave Canopy Scattering)將森林模擬為由樹冠層、樹干層及 地面層組成的三層介質(zhì)模型。其中樹冠層包括樹葉、細(xì)小的莖、樹枝等散射體，樹干層由樹 干組成，用長(zhǎng)的圓柱來(lái)描述。在實(shí)際的研究過(guò)程中科研人員發(fā)現(xiàn)常見的植被，比如農(nóng)作物、 草坪等，葉子和莖并沒有明顯的分層界限，且莖的尺寸較小，不能用長(zhǎng)圓柱來(lái)模擬，MIMICS 模型應(yīng)用于這類植被時(shí)需要進(jìn)行修正。此時(shí)，取樹干層高度為零，形成雙層植被散射模型， 即散射模型由植被層和地面層組成，植被層被模擬成離散散射體葉子、莖等組成的隨機(jī)介 質(zhì)，這些散射體可用形狀規(guī)則的橢球體模擬;地面層被模擬為粗糙面。
[0004]在以往的等離子體鞘套電磁散射問(wèn)題中，常常忽略燒蝕顆粒的影響，這樣就大大 降低了仿真的精確度，而雙層植被散射模型一直應(yīng)用于地面植被電磁散射的研究領(lǐng)域，未 見基于雙層植被散射模型研究等離子體鞘套中燒蝕顆粒的電磁散射特性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述已有技術(shù)的不足，提供一種燒蝕飛行器表面的電磁散 射仿真方法，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，不僅彌補(bǔ)了等離子體鞘套中燒蝕顆粒散射問(wèn)題的空 白，而且為進(jìn)一步改進(jìn)等離子體鞘套電磁仿真提出了新的要求，可用于獲取燒蝕飛行器表 面的電磁散射參數(shù)。
[0006] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是，一種燒蝕飛行器表面的電磁散射仿真方法，包括 如下步驟：
[0007] (1)根據(jù)雙層植被散射模型，將植被散射等效為等離子體鞘套中燒蝕顆粒的電磁 散射，建立燒蝕飛行器表面的電磁散射模型。
[0008] (2)根據(jù)燒蝕飛行器表面的電磁散射模型，利用蒙特卡羅方法產(chǎn)生方位角和位置 隨機(jī)分布的Μ個(gè)橢球散射體，并求解每一個(gè)橢球散射體的內(nèi)場(chǎng)。
[0009] (3)假設(shè)橢球散射體位于坐標(biāo)原點(diǎn)，采用平面波作為入射波，推導(dǎo)橢球散射體的遠(yuǎn) 區(qū)散射場(chǎng)。
[0010] (4)采用單次散射近似，將每一個(gè)橢球散射體的散射場(chǎng)進(jìn)行疊加表示遠(yuǎn)區(qū)的總散 射場(chǎng)。
[0011] (5)根據(jù)得到的遠(yuǎn)區(qū)散射場(chǎng)結(jié)合入射波，求解橢球散射體(燒蝕顆粒）的雙站散射 系數(shù)。
[0012] 本方法將雙層植被散射模型，應(yīng)用到等離子體鞘套燒蝕顆粒的電磁散射中，避免 了以往計(jì)算等離子體鞘套電磁散射時(shí)忽略燒蝕顆粒影響的問(wèn)題，保留了雙層植被散射模型 的優(yōu)點(diǎn)，并可以將其應(yīng)用到等離子體鞘套中燒蝕顆粒電磁散射的計(jì)算；同時(shí)由于采用了蒙 特卡洛隨機(jī)模擬理論產(chǎn)生隨機(jī)分布的燒蝕顆粒，使電磁仿真結(jié)果更加接近實(shí)際情況。
【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1是本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)流程圖。
[0014]圖2是本發(fā)明中燒蝕飛行器表面散射示意圖。
[0015]圖3是橢球散射體的Euler角取向示意圖。
[0016]圖4是入射單個(gè)散射體示意圖。
[0017]圖5是燒蝕顆粒的四種散射方式。
[0018] 圖6是用本發(fā)明仿真的飛行器表面為菲涅爾面和粗糙面時(shí)燒蝕顆粒的雙站散射系 數(shù)對(duì)比圖。
[0019] 圖7是用本發(fā)明仿真的粗糙面相關(guān)長(zhǎng)度不同時(shí)燒蝕顆粒的雙站散射系數(shù)對(duì)比圖。
[0020] 圖8用本發(fā)明仿真的粗糙面均方根高度不同時(shí)燒蝕顆粒的雙站散射系數(shù)對(duì)比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021 ]參照?qǐng)D1，本發(fā)明的具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：
[0022]步驟1:根據(jù)雙層植被散射模型，將等離子體鞘套中的燒蝕顆粒假設(shè)為隨機(jī)分布的 橢球體。
[0023]參照?qǐng)D2,本步驟的具體實(shí)現(xiàn)如下：
[0024] (1.1)將等離子體鞘套中的燒蝕顆?？醋魇请p層植被散射模型中樹葉、樹枝等散 射體，并假設(shè)為橢球體;將飛行器表面視為粗糙面。
[0025] (1.2)在散射模型中，設(shè)燒蝕顆粒區(qū)域厚度為d，飛行器表面面積為A，則燒蝕顆粒 區(qū)域的體積為V = ad，飛行器表面相對(duì)介電常數(shù)為eg，燒蝕顆粒被模擬成介電常數(shù)為(在此 使用耐高溫陶瓷的相對(duì)介電常數(shù))的離散隨機(jī)介質(zhì)。
[0026] 步驟2:利用蒙特卡羅方法產(chǎn)生方位角和位置隨機(jī)分布的Μ個(gè)橢球散射體，并求解 每一個(gè)橢球散射體的內(nèi)場(chǎng)。
[0027]參照?qǐng)D3,本步驟的具體實(shí)現(xiàn)如下：
[0028] (2.1)橢圓球的三個(gè)軸長(zhǎng)分別設(shè)為a，b，c，放置在局部坐標(biāo)系（毛,九,56)中，其局 部坐標(biāo)系與全局坐標(biāo)系的關(guān)系如圖3所示。任意一個(gè)局部坐標(biāo)都能看成是局部坐標(biāo)系繞參 考坐標(biāo)系的X，y，z三個(gè)軸分別旋轉(zhuǎn)α，β，γ后得到的，其中α，β，γ是橢球散射體的Euler取向 角。
[0029] (2.2)把取向角€(，0，7的分布范圍分成仏，恥，心等份，則橢球散射體的空間取向共 有Να X Νβ X Νγ 種。
[0030] (2.3)由隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生在體積V內(nèi)位置均勾隨機(jī)分布的Μ個(gè)散射體組成一個(gè)樣 本。對(duì)于樣本中的散射體，在Nd X Nf! X Νγ中隨機(jī)地選擇一種作為散射體的空間取向。
[0031] (2.4)在微波段假設(shè)燒蝕顆粒均滿足關(guān)系式1^1(^-1)〈〈1，因此橢球散射體的內(nèi)場(chǎng) 可采用廣義瑞利-金斯(GRG)近似，表示為
[0033] 其中，Εο為入射平面波振幅，ko為空氣中的波數(shù)，卷為入射方向的單位矢量，么=1 或爲(wèi)為入射波垂直或水平極化單位矢量，5為極化張量。
[0034] 步驟3:參照?qǐng)D4,假設(shè)橢球散射體位于坐標(biāo)原點(diǎn)，采用平面波作為入射波，求解 Helmholtz積分方程，得到散射體的遠(yuǎn)區(qū)散射場(chǎng)
[0036] 其中，為燒蝕顆粒的相對(duì)介電常數(shù)(在此取高溫陶瓷的相對(duì)介電常數(shù)）。€為散 射方向的單位適量。C Λ為垂直或水平極化單位矢量。
[0037] 步驟4:采用單次散射近似，將每一個(gè)橢球散射體的散射場(chǎng)進(jìn)行疊加表示遠(yuǎn)區(qū)的散 射場(chǎng)。
[0038] (4.1)將燒蝕顆粒和飛行器表面結(jié)合的電磁散射近似為單次散射，假設(shè)入射的平 面波為
[0040] (4.2)對(duì)于蒙特卡羅方法產(chǎn)生的Μ個(gè)橢球散射體，在單次散射近似下，將每一個(gè)散 射體的散射場(chǎng)進(jìn)行非相干疊加表示遠(yuǎn)區(qū)的散射場(chǎng)
[0042] 其中，堯=兔」或義為散射波垂直或水平極化單位矢量，/$ = Λ-,;ι..?· + 為第m 個(gè)散射體的位置。(q = V或h)表示q極化波入射時(shí)，第m個(gè)散射體的散射場(chǎng)。
[0043] (4.3)參照?qǐng)D5,在單次散射近似下，當(dāng)電磁波入射到燒蝕顆粒及飛行器表面上時(shí)， 存在四種散射路徑。因此，單個(gè)散射體的散射場(chǎng)EL (*·，rm)為
[0045]其中，Ed表示入射電磁波經(jīng)燒蝕顆粒散射產(chǎn)生的直接場(chǎng)，Edr表示入射電磁波先在 燒蝕顆粒表面散射，再在飛行器表面反射之后的場(chǎng)，Erd表示入射電磁波先在飛行器表面反 射，再在燒蝕顆粒表面散射之后的場(chǎng)，Erdr則表示入射電磁波先在飛行器表面反射，再在燒 蝕顆粒表面散射，最后在飛行器表面再次反射之后的場(chǎng)。這四種場(chǎng)的表達(dá)式分別為
[0050] 其中，為散射體的散射振幅矩陣，θ, φ表不入射方向角和散射