基于分形的等离子体鞘套湍流随机相位屏模拟研究

Communications of flight vehicle is significantly affected by the microstructure of turbulent flow in plasma sheath of high-speed flight vehicle, which is one of the key tasks urgently to be solved with respect to space communications of flight vehicles. In this project, propagation properties of electromagnetic wave in turbulent flow of plasma sheath is studied; the ramdom phase screen method of radio wave propagation in the turbulent flow based on fractal is also proposed. Firstly, for the nonlinear flow characteristics of turbulent flow in plasma sheath, the large eddy model of compressible turbulent is created. Secondly, the refraction coefficient model of turbulence medium is proposed provided that the turbulent fluctuation speed is far lower than the average flow velocity, and also the fractal dimension of cross-turbulence electromagnetic wave-front and turbulent spectral index then can be concluded, thus the turbulent-flow fractal model of plasma sheath is established. Finally, the random midpoint displacement algorithm and phase screen superposition method of multilayer specific fractal index are adopted to simulate the influence of turbulent flow of plasma sheath on electromagnetic wave propagation and to analyze the signal dispersion, phase and amplitude scintillation. A feasible new method is provided to probe into the random fluctuations of communication signals in reentry process, which is instructive for analyzing the wireless channel characteristics of flight vehicle.

高速飞行器表面等离子体鞘套中的湍流微结构对飞行器的通讯联络产生不可忽略的影响，是飞行器空间通信亟待解决的关键课题之一。本项目以研究电磁波在等离子体鞘套湍流中的传播特性为目的，提出基于分形的等离子体鞘套湍流中电波传播随机相位屏方法。首先，针对等离子体鞘套湍流的非线性流动特性，建立可压缩湍流的大涡模型。其次，给出满足湍流脉动的速度远小于平均流动速度条件下，湍流介质的折射系数模型，推导穿过湍流电磁波波前分维及湍流频谱指数，建立等离子体鞘套湍流的分形模型。最终,采用随机中点位移算法以及多层特定分形指数的相位屏叠加法，模拟等离子体鞘套湍流对电磁波传播的影响，分析信号的色散、相位闪烁以及幅度闪烁。为研究再入过程中通信信号的随机起伏现象提供了一种可行的新思路，对飞行器无线信道特性分析具有指导性意义。

高速飞行器表面等离子体鞘套中的湍流微结构对飞行器的通讯联络产生不可忽略的影响，是飞行器空间通信亟待解决的关键课题之一。本项目以研究电磁波在等离子体鞘套湍流中的传播特性为目的，提出基于分形的等离子体鞘套湍流中电波传播随机相位屏方法。研究了高速飞行器外围等离子体鞘套内湍流微结构的形成机理、结构特征以及介电特性，分析了等离子体鞘套内湍流结构与电磁波的相互作用机制，计算了等离子体鞘套内湍流结构对电磁波传播的幅频相特性的影响，建立了复杂等离子体湍流结构中的电波传播模型。.首先，课题组从等离子体鞘套湍流微结构形成机制的理论分析出发，推导等离子体鞘套流场的控制方程组，建立高超声速飞行器等离子体鞘套流场仿真模型。针对高速飞行器等离子体鞘套湍流的流动特性，考虑到时变等离子体鞘套中温度，压强，电子密度，碰撞频率为时间的函数，仿真分析这些时变参量对电磁波传播的影响。其次，基于高超声速流场实验数据，建立等离子体鞘套湍流微结构分形模型；开展基于分形的等离子体鞘套湍流随机相位屏数值模拟研究，建立高超声速湍流各向异性功率谱，分析等离子体鞘套湍流微结构对电磁波传播特性的影响。并在分析等离子体鞘套介电常数的基础上，推导了线性衰减的衰减系数以相位常数的表达式，并将其推广到非线性衰减的情况，计算了衰减常数以及相位常数。最终，采用粗糙面上烧蚀粒子散射的四路径模型，研究了不同粗糙程度下烧蚀颗粒层对电磁波的散射特性。根据飞行器流场参数及等离子体鞘套的电磁参数分布特点，采用WKB方法仿真分析了高速运动等离子体对电磁波传播特性的影响。并且采用JEC-FDTD方法研究了三维时空非均匀等离子体鞘套的电磁波散射特性。.该工作为研究再入过程中通信信号的随机起伏现象提供了一种可行的新思路，对飞行器无线信道特性分析具有指导性意义。