一种大带宽体制下高速等离子体反射电磁波的建模方法、系统、设备及介质

1.本发明涉及宽带雷达目标探测技术领域，具体涉及一种大带宽体制下高速等离子体反射电磁波的建模方法、系统、设备及介质。


背景技术：

2.高超声速飞行器在临近空间飞行时，飞行器周围气体受高温高压影响产生电离作用，生成一层非均匀高速等离子体包裹于飞行器表面，这层非均匀高速等离子体即为等离子鞘套。等离子鞘套由以电子为主的多种粒子构成，对入射的电磁波产生吸收、反射、折射等影响，导致电磁波产生幅度、相位上的畸变；等离子鞘套不同位置处电子密度分布和速度场分布不同，电磁波在各区域内的入射深度差异导致反射电磁波耦合不同的反射系数、相移系数和多普勒频率，导致等离子鞘套包覆目标总反射电磁波会出现幅度和相位起伏、多普勒频谱偏移/展宽等复合调制效应。
3.目前，针对等离子鞘套包覆目标反射电磁波的相关研究都是以窄带电磁波为基础进行建模，缺乏关于带宽对反射电磁波信号调制作用的影响研究，如今常用的高分辨率雷达以使用宽带信号为主，宽带电磁波的频率分布范围较大，等离子鞘套内速度场分布特征会导致宽带信号的各电磁波频率分量在不同入射深度下会耦合相应的流场速度，在多普勒频谱上产生展宽现象，同时以上情况会导致宽带电磁波产生相应调制谱，这些现象在传统建模方法上并不能表现出来，所以大带宽体制下高速等离子体反射电磁波建模方法依然有待提出。


技术实现要素：

4.为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种大带宽体制下高速等离子体反射电磁波的建模方法、系统、设备及介质，对宽带电磁波进行频域分集处理，计算分集信号在高速等离子体内的分层反射模型，并经过矢量累加对反射电磁波进行建模，具有可体现宽带反射电磁波耦合流场速度分布，且能揭示大带宽体制下等离子鞘套包覆目标电磁反射作用机制的特点。
5.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
6.一种大带宽体制下高速等离子体反射电磁波的建模方法，包括以下步骤：
7.步骤1、建立高速等离子体分层模型；
8.步骤2、基于高速等离子体分层模型建立大带宽体制下高速等离子体分层反射分析模型；
9.步骤3、基于大带宽体制下高速等离子体分层反射分析模型求解大带宽体制下高速等离子体反射电磁波表征。
10.所述的步骤1具体包括：
11.步骤1.1、根据高速等离子体厚度l、第n层等离子体层厚度dn和从第1层等离子体
到第n层等离子体的总厚度求解高速等离子体分层模型第n层等离子体电子密度n
e,n
：
[0012][0013]
式中，n为高速等离子体分层模型层数序号，l
peak
表示达到峰值电子密度时距离目标表面的距离，n＝1、2、3
…
n，n为高速等离子体分层模型总层数；
[0014]
步骤1.2、根据单位电荷e、电子质量me和真空介电常数ε0，基于步骤1.1中高速等离子体分层模型第n层等离子体电子密度n
e,n
，求解第n层等离子体特征角频率ω
p,n
及第n层等离子体特征频率f
p,n
：
[0015][0016][0017]
所述的步骤2具体包括：
[0018]
步骤2.1、根据宽带电磁波起始频率fc，频带宽度b，求解宽带电磁波终止频率f
end
＝fc+b；
[0019]
步骤2.2、基于步骤2.1中的宽带电磁波起始频率fc和宽带电磁波终止频率f
end
，得到宽带电磁波频域范围，并在宽带电磁波起始频率fc至宽带电磁波终止频率f
end
这一范围内，对高速等离子体宽带电磁波频域分集处理：
[0020]
宽带电磁波入射高速等离子体时，产生如下几种情况：
[0021]
情况2.2.1、当入射宽带电磁波的终止频率f
end
小于高速等离子体最外层等离子体特征频率f
p,1
时，宽带电磁波仅在高速等离子体最外层发生反射；
[0022]
情况2.2.2、当高速等离子体峰值特征频率f
p,max
小于入射宽带电磁波的起始频率fc时，宽带电磁波完全穿透高速等离子体，宽带电磁波在飞行器表面发生反射；
[0023]
情况2.2.3、当f
p,1
＜fc＜f
end
＜f
p,max
时，宽带电磁波整体入射至高速等离子体内部，不同频率分量分别对应不同入射深度，依据分集信号载波频率fi等于等离子体特征频率f
p,n
创建分集信号，其中i为分集信号的载频序列号，i＝0,1,2,
…
,i，i表示宽带电磁波频率分集处理后得到的分集总个数，fi表示宽带电磁波频率分集处理后得到的分集频率最大值，f
p,n
为第n层等离子体特征频率，分集信号载波频率fi对应的是宽带电磁波频率范围与各层等离子体特征频率的交集范围内各层等离子体的特征频率；
[0024]
情况2.2.4、当fc＜f
p,1
＜f
end
＜f
pmax
时，宽带电磁波部分入射至高速等离子体内部，不同频率分量分别对应不同入射深度，依据分集信号载波频率fi等于等离子体特征频率f
p,n
，创建分集信号；
[0025]
情况2.2.5、当f
p,1
＜fc＜f
p,max
＜f
end
时，宽带电磁波入射高速等离子体内部，部分分集信号穿透高速等离子体透射至目标表面，同时产生透明传输和电磁屏蔽效应；
[0026]
步骤2.3、计算各层等离子体复介电常数ε
n,i
，传播常数k
n,i
和本征波阻抗z
n,i
：根据真空介电常数ε0和第n层等离子体碰撞频率v
p,n
，基于第n层等离子体特征角频率ω
p,n
及步骤2.2中入射电磁波各分集信号载波频率fi，求得各层等离子体复介电常数ε
n,i
：
[0027][0028]
其中j为单位虚数，
[0029]
由第n层等离子体复介电常数ε
n,i
联立入射电磁波各分集信号载波频率fi和真空磁导率μ0，求解第n层等离子体传播常数k
n,i
和第n层等离子体的本征波阻抗z
n,i
：
[0030][0031][0032]
步骤2.4、由步骤2.3计算得到的第n层等离子体传播常数k
n,i
、第n层等离子体的本征波阻抗z
n,i
联立真空磁导率μ0和第n层等离子体厚度dn，根据双曲正弦函数sinh和双曲余弦函数cosh计算可得第n层等离子体的传输矩阵：
[0033][0034]
步骤2.5、基于入射介质的本征波阻抗z0和最外层等离子体本征波阻抗z
1,i
，由等离子体反射系数计算公式求得最外层等离子体反射系数r
1,i
'，根据步骤2.4中各层等离子体传输矩阵，计算相邻等离子体之间的反射系数r
n,i
'：
[0035][0036]
步骤2.6、基于步骤2.4中各层等离子体传输矩阵，求得第n层等离子体单层透射系数t
u,i
：
[0037][0038]
其中，u为高速等离子体分层模型层数序号；
[0039]
步骤2.7、计算高速等离子体分层复反射系数：联立步骤2.5中各相邻等离子体反射系数r
n,i
'和步骤2.6中单层等离子体透射系数t
u,i
，将第n层等离子体复反射系数乘以入射出射通路上各层等离子体的单层透射系数，求得分集信号载波频率fi由第n层等离子体反射至自由空间的复反射系数：
[0040][0041]
步骤2.8、基于步骤2.2分集处理的各分集信号以载波频率fi入射高速等离子体及步骤2.7的分层反射系数计算方法，求解得到各层等离子体的反射系数：
[0042]rall,i
＝[r
1,i r
2,i r
3,i
…rn,i
]
[0043]
其中，r
n,i
表示分集信号以载波频率fi由第n层等离子体反射至自由空间的复反射
系数，r
all,i
表示分集信号以载波频率fi对应的各层等离子体的反射系数矩阵，i为分集信号的载频序列号，i＝0,1,2,
…
,i，i表示宽带电磁波频率分集处理后得到的分集总个数。
[0044]
所述的步骤3具体包括：
[0045]
步骤3.1、计算各分集信号耦合的多普勒频率：根据高速等离子体各层流场速度vn，求解各分集信号频率fi对应的耦合多普勒频率f
d,i
：
[0046][0047]
步骤3.2、基于步骤3.1中的耦合多普勒频率f
d,i
，求解高速等离子体第n层等离子体的反射电磁波er(t,n):设宽带电磁波可成i个分集信号，基于各分集信号在高速等离子体内反射系数空间分布特征，通过矢量累加求解高速等离子体第n层等离子体的宽带电磁波反射模型如下所示：
[0048][0049]
其中，r
n,i
为第i个分集信号第n层的反射系数，|r
n,i
|表示反射系数的幅度，表示反射系数对入射电磁信号的相位调制系数；
[0050]
步骤3.3、计算大带宽体制下高速等离子体反射电磁波er(t):基于步骤3.2中高速等离子体第n层等离子体的宽带电磁波反射模型er(t,n)获得大带宽体制下高速等离子体反射电磁波如下所示：
[0051][0052]
一种大带宽体制下高速等离子体反射电磁波的建模系统，包括：
[0053]
高速等离子体参数模型模块：建立高速等离子体分层模型，获得高速等离子体分层电子密度n
e,n
、特征角频率ω
p,n
、特征频率f
p,n
；
[0054]
分层反射系数计算模块：基于高速等离子体分层模型建立大带宽体制下高速等离子体分层反射分析模型，计算分集信号以载波频率fi由第n层等离子体反射至自由空间的复反射系数r
n,i
；
[0055]
大带宽体制下高速等离子体反射电磁波模块：基于大带宽体制下高速等离子体分层反射分析模型求解大带宽体制下高速等离子体反射电磁波表征，获得大带宽体制下高速等离子体反射电磁波er(t)。
[0056]
一种大带宽体制下高速等离子体反射电磁波的建模设备，包括：
[0057]
存储器：用于存储实现所述的一种大带宽体制下高速等离子体反射电磁波的建模方法的计算机程序；
[0058]
处理器：用于执行所述计算机程序时实现所述的一种大带宽体制下高速等离子体反射电磁波的建模方法。
[0059]
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的一种大带宽体制下高速等离子体反射电磁波的建模方法的步骤。
[0060]
相对于现有技术，本发明的有益效果在于：
[0061]
(1)本发明通过建立高速等离子体分层模型，对实际情况进行模拟，实现对高速等离子体进行分析的可行性，为建立高速等离子体分层反射分析模型提供参数基础，具有方法简单建模难度小的特点。
[0062]
(2)本发明通过建立高速等离子体分层反射分析模型，通过频率域分集方法和改进传输线法获得高速等离子体的分层反射系数，具有计算复杂度低的特点。
[0063]
(3)本发明通过求解大带宽体制下高速等离子体反射电磁波表征，体现了宽带反射电磁波耦合流场速度分布，揭示了大带宽体制下等离子鞘套包覆目标电磁反射作用机制，填补了对大带宽体制下高速等离子体反射电磁波建模的空白，具有建模精度高的特点。
[0064]
综上所述，相较于现有技术，本发明通过建立高速等离子体分层模型、高速等离子体分层反射分析模型，并对大带宽体制下高速等离子体反射电磁波表征求解，具有建模难度小、计算复杂度低及建模精度高的特点，为等离子鞘套包覆目标反射宽带电磁波的分析提供模型基础。
附图说明
[0065]
图1为本发明的方法流程图。
[0066]
图2为大带宽体制下高速等离子体反射电磁波示意图。
具体实施方式
[0067]
下面结合附图对本发明做详细叙述。
[0068]
参见图1，一种大带宽体制下高速等离子体反射电磁波的建模方法，包括以下步骤：
[0069]
步骤1、建立高速等离子体分层模型；
[0070]
步骤2、基于高速等离子体分层模型建立大带宽体制下高速等离子体分层反射分析模型；
[0071]
步骤3、基于大带宽体制下高速等离子体分层反射分析模型求解大带宽体制下高速等离子体反射电磁波表征。
[0072]
参见图2，宽带电磁波入射高速等离子体后，宽带电磁波对应的反射系数空间分布呈现多峰状态，基于宽带电磁波耦合的各层高速等离子体流场速度差异，计算得到反射电磁波耦合的多普勒频率并进行反射宽带电磁波表征的建立。
[0073]
所述的步骤1具体包括：
[0074]
步骤1.1、根据高速等离子体厚度l、第n层等离子体层厚度dn和从第1层等离子体到第n层等离子体的总厚度求解高速等离子体分层模型第n层等离子体电子密度n
e,n
：
[0075][0076]
式中，n为高速等离子体分层模型层数序号，l
peak
表示达到峰值电子密度时距离目标表面的距离，n＝1、2、3
…
n，n为高速等离子体分层模型总层数；
[0077]
步骤1.2、根据单位电荷e、电子质量me和真空介电常数ε0，基于步骤1.1中高速等离子体分层模型第n层等离子体电子密度n
e,n
，求解第n层等离子体特征角频率ω
p,n
及第n层等
离子体特征频率f
p,n
：
[0078][0079][0080]
所述的步骤2具体包括：
[0081]
步骤2.1、根据宽带电磁波起始频率fc，频带宽度b，求解宽带电磁波终止频率f
end
＝fc+b；
[0082]
步骤2.2、基于步骤2.1中的宽带电磁波起始频率fc和宽带电磁波终止频率f
end
，得到宽带电磁波频域范围，并在宽带电磁波起始频率fc至宽带电磁波终止频率f
end
这一范围内，对高速等离子体宽带电磁波频域分集处理：
[0083]
宽带电磁波入射高速等离子体时，产生如下几种情况：
[0084]
情况2.2.1、当入射宽带电磁波的终止频率f
end
小于高速等离子体最外层等离子体特征频率f
p,1
时，宽带电磁波仅在高速等离子体最外层发生反射；
[0085]
情况2.2.2、当高速等离子体峰值特征频率f
p,max
小于入射宽带电磁波的起始频率fc时，宽带电磁波完全穿透高速等离子体，宽带电磁波在飞行器表面发生反射，即产生透明传输；
[0086]
情况2.2.3、当f
p,1
＜fc＜f
end
＜f
p,max
时，宽带电磁波整体入射至高速等离子体内部，不同频率分量分别对应不同入射深度，依据分集信号载波频率fi等于等离子体特征频率f
p,n
创建分集信号，其中i为分集信号的载频序列号，i＝0,1,2,
…
,i，i表示宽带电磁波频率分集处理后得到的分集总个数，fi表示宽带电磁波频率分集处理后得到的分集频率最大值，f
p,n
为第n层等离子体特征频率，分集信号载波频率fi对应的是宽带电磁波频率范围与各层等离子体特征频率的交集范围内各层等离子体的特征频率；
[0087]
例如设第1至5层等离子体特征频率为f
p,1
＝0.1hz、f
p,2
＝0.5hz、f
p,3
＝1hz、f
p,4
＝2hz、f
p,5
＝5hz，等离子体内峰值特征频率为f
pmax
＝10hz，宽带电磁波频率范围为0.3ghz至4ghz，则设计分集信号为f1＝0.5hz，f2＝1hz，f3＝2hz。
[0088]
情况2.2.4、当fc＜f
p,1
＜f
end
＜f
pmax
时，宽带电磁波部分入射至高速等离子体内部，不同频率分量分别对应不同入射深度，依据分集信号载波频率fi等于等离子体特征频率f
p,n
，创建分集信号；
[0089]
例如设第1至5层等离子体特征频率为f
p,1
＝0.1hz、f
p,2
＝0.5hz、f
p,3
＝1hz、f
p,4
＝2hz、f
p,5
＝5hz，高速等离子体内峰值特征频率为f
pmax
＝10hz，宽带电磁波频率范围为0.05ghz至4ghz，则设计分集信号为f1＝0.1hz，f2＝0.5hz，f3＝1hz，f4＝2hz。
[0090]
情况2.2.5、当f
p,1
＜fc＜f
p,max
＜f
end
时，宽带电磁波入射高速等离子体内部，部分分集信号穿透高速等离子体透射至目标表面，同时产生透明传输和电磁屏蔽效应；
[0091]
例如设第1至5层等离子体特征频率为f
p,1
＝0.1hz、f
p,2
＝0.5hz、f
p,3
＝1hz、f
p,4
＝2hz、f
p,5
＝5hz，等离子体内峰值特征频率为f
pmax
＝f
p,6
＝10hz，宽带电磁波频率范围为0.05ghz至12ghz，则设计分集信号为f1＝0.1hz，f2＝0.5hz，f3＝1hz，f4＝2hz、f5＝5hz、f6＝10hz。
[0092]
在情况2.2.1和2.2.2下宽带电磁波的频率不影响反射结果，故不用分集处理，在情况2.2.3、2.2.4和2.2.5下，由于等离子体具有截断小于等离子体特征频率的电磁波的特性，依据fi＝f
p,n
设计分集信号，f
p,n
为第n层等离子体特征频率，分集信号载波频率fi对应的是宽带电磁波频率范围与各层等离子体特征频率的交集范围内各层等离子体的特征频率；
[0093]
步骤2.3、计算各层等离子体复介电常数ε
n,i
，传播常数k
n,i
和本征波阻抗z
n,i
：根据真空介电常数ε0和第n层等离子体碰撞频率v
p,n
，基于第n层等离子体特征角频率ω
p,n
及步骤2.2中入射电磁波各分集信号载波频率fi，求得各层等离子体复介电常数ε
n,i
：
[0094]
根据高速等离子体分层模型在第n层等离子体介质内的特征频率f
p,n
和碰撞频率v
p,n
，可计算得到高速等离子体分层模型在第n层等离子体介质内的复介电常数ε
n,i
，其中高速等离子体分层模型在第n层均匀等离子体介质内的复介电常数ε
n,i
的计算公式为：
[0095][0096]
由第n层等离子体复介电常数ε
n,i
联立入射电磁波各分集信号载波频率fi和真空磁导率μ0，求解第n层等离子体传播常数k
n,i
和第n层等离子体的本征波阻抗z
n,i
：
[0097]
介电常数ε
n,i
是反映电介质在电场作用下极化性质的主要参数，极化性表示成键的电子云在外界电场的作用下发生变化的相对程度。由第n层等离子体介质的复介电常数ε
n,i
、真空磁导率μ0、入射电磁波载频可计算得到第n层等离子体的传播常数和本征波阻抗：
[0098][0099][0100]
步骤2.4、由步骤2.3计算得到的第n层等离子体传播常数k
n,i
、第n层等离子体的本征波阻抗z
n,i
联立真空磁导率μ0和第n层等离子体厚度dn，根据双曲正弦函数sinh和双曲余弦函数cosh计算可得第n层等离子体的传输矩阵：
[0101][0102]
步骤2.5、基于入射介质的本征波阻抗z0和最外层等离子体本征波阻抗z
1,i
，由等离子体反射系数计算公式求得最外层等离子体反射系数r
1,i
'，根据步骤2.4中各层等离子体传输矩阵，计算各相邻等离子体之间的反射系数r
n,i
'：
[0103][0104]
步骤2.6、基于步骤2.4中各层等离子体传输矩阵，求得第n层等离子体单层透射系数t
u,i
：
[0105][0106]
其中，u为高速等离子体分层模型层数序号；
[0107]
步骤2.7、计算高速等离子体分层复反射系数：联立步骤2.5中各相邻等离子体反
射系数r
n,i
'和步骤2.6中单层等离子透射系数t
u,i
，将第n层等离子体复反射系数乘以入射出射通路上各层等离子体的单层透射系数，求得分集信号载波频率fi由第n层等离子体反射至自由空间的复反射系数：
[0108][0109]
步骤2.8、基于各分集信号载波频率fi求解入射高速等离子体得到的各层等离子体的反射系数：
[0110]rall,i
＝[r
1,i r
2,i r
3,i
…rn,i
]
[0111]
其中，r
n,i
表示分集信号以载波频率fi由第n层等离子体反射至自由空间的复反射系数，r
all,i
表示分集信号以载波频率fi对应的各层等离子体的反射系数矩阵，i为分集信号的载频序列号，i＝0,1,2,
…
,i，i表示宽带电磁波频率分集处理后得到的分集总个数。
[0112]
所述的步骤3具体包括：
[0113]
步骤3.1、计算各分集信号耦合的多普勒频率：根据高速等离子体各层流场速度vn，求解各分集信号频率fi对应的耦合多普勒频率f
d,i
：
[0114][0115]
步骤3.2、基于步骤3.1中的耦合多普勒频率f
d,i
，求解高速等离子体第n层等离子体的反射电磁波er(t,n):设宽带电磁波可成i个分集信号，基于各分集信号在高速等离子体内反射系数空间分布特征，通过矢量累加求解高速等离子体第n层等离子体的宽带电磁波反射模型如下所示：
[0116][0117]
其中，r
n,i
为第i个分集信号第n层的反射系数，|r
n,i
|表示反射系数的幅度，表示反射系数对入射电磁信号的相位调制系数；
[0118]
步骤3.3、计算大带宽体制下高速等离子体反射电磁波er(t):基于步骤3.2中高速等离子体第n层等离子体的宽带电磁波反射模型er(t,n)获得大带宽体制下高速等离子体反射电磁波如下所示：
[0119][0120]
一种大带宽体制下高速等离子体反射电磁波的建模系统，包括：
[0121]
高速等离子体参数模型模块：建立高速等离子体分层模型，获得高速等离子体分层电子密度n
e,n
、特征角频率ω
p,n
、特征频率f
p,n
，用于一种大带宽体制下高速等离子体反射电磁波的建模方法的步骤1；
[0122]
分层反射系数计算模块：基于高速等离子体分层模型建立大带宽体制下高速等离子体分层反射分析模型，计算分集信号以载波频率fi由第n层等离子体反射至自由空间的复反射系数r
n,i
，用于一种大带宽体制下高速等离子体反射电磁波的建模方法的步骤2；
[0123]
大带宽体制下高速等离子体反射电磁波模块：基于大带宽体制下高速等离子体分层反射分析模型求解大带宽体制下高速等离子体反射电磁波表征，获得大带宽体制下高速等离子体反射电磁波er(t)，用于一种大带宽体制下高速等离子体反射电磁波的建模方法的步骤3。
[0124]
一种大带宽体制下高速等离子体反射电磁波的建模设备，包括：
[0125]
存储器：用于存储实现所述的一种大带宽体制下高速等离子体反射电磁波的建模方法的计算机程序；
[0126]
处理器：用于执行所述计算机程序时实现所述的一种大带宽体制下高速等离子体反射电磁波的建模方法。
[0127]
所述的处理器可以是中央处理单元(centralprocessingunit，cpu)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digitalsignalprocessor，dsp)、专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，asic)、现成可编程门阵列(field-programmablegatearray，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者所述处理器也可以是任何常规的处理器等，所述处理器是所述一种大带宽体制下高速等离子体反射电磁波的建模方法的设备的控制中心，利用各种接口和线路连接整个一种大带宽体制下高速等离子体反射电磁波的建模方法的设备的各个部分。
[0128]
所述处理器执行所述计算机程序时实现上述一种大带宽体制下高速等离子体反射电磁波的建模方法的步骤，例如：建立高速等离子体分层模型；基于高速等离子体分层模型建立大带宽体制下高速等离子体分层反射分析模型；基于大带宽体制下高速等离子体分层反射分析模型求解大带宽体制下高速等离子体反射电磁波表征；实现了所述一种大带宽体制下高速等离子体反射电磁波的建模方法。
[0129]
或者，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述系统中各模块的功能，例如：高速等离子体参数模型模块：建立高速等离子体分层模型，获得高速等离子体分层电子密度、特征角频率、特征频率；分层反射系数计算模块：基于高速等离子体分层模型建立大带宽体制下高速等离子体分层反射分析模型，计算高速等离子体分层模型各层等离子体实际复反射系数；大带宽体制下高速等离子体反射电磁波模块：基于大带宽体制下高速等离子体分层反射分析模型求解大带宽体制下高速等离子体反射电磁波表征，获得高速等离子体的反射电磁波；输出得到所述一种大带宽体制下高速等离子体反射电磁波的建模方法的结果。
[0130]
示例性的，所述计算机程序可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器中，并由所述处理器执行，以完成本发明。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成预设功能的一系列计算机程序指令段，所述指令段用于描述所述计算机程序在所述一种大带宽体制下高速等离子体反射电磁波的建模方法的设备中的执行过程。例如，所述计算机程序可以被分割成高速等离子体参数模型模块、分层反射系数计算模块、大带宽体制下高速等离子体反射电磁波模块，各模块具体功能如下：高速等离子体参数模型模块：建立高速等离子体分层模型，获得高速等离子体分层电子密度、特征角频率、特征频率；分层反射系数计算模块：基于高速等离子体分层模型建立大带宽体制下高速等离子体分层反射分析模型，计算高速等离子体分层模型各层等离子体实际复反射系数；大带宽体制下高速等离子体反射电磁波模块：基于大带宽体制下高速等离子体分层反
射分析模型求解大带宽体制下高速等离子体反射电磁波表征，获得高速等离子体的反射电磁波，输出得到所述一种大带宽体制下高速等离子体反射电磁波的建模方法的结果。
[0131]
所述一种大带宽体制下高速等离子体反射电磁波的建模方法的设备可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述一种大带宽体制下高速等离子体反射电磁波的建模方法的设备可包括，但不仅限于处理器、存储器。本领域技术人员可以理解，上述是一种大带宽体制下高速等离子体反射电磁波的建模方法的设备的示例，并不构成对一种大带宽体制下高速等离子体反射电磁波的建模方法的设备的限定，可以包括比上述更多的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述一种大带宽体制下高速等离子体反射电磁波的建模方法的设备还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。
[0132]
所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述一种大带宽体制下高速等离子体反射电磁波的建模方法的设备的各种功能。
[0133]
所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、图像播放功能等)等；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据(比如音频数据、电话本等)等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(smartmediacard,smc)，安全数字(securedigital,sd)卡，闪存卡(flashcard)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。
[0134]
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的一种大带宽体制下高速等离子体反射电磁波的建模方法的步骤。
[0135]
所述一种大带宽体制下高速等离子体反射电磁波的建模的系统集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
[0136]
本发明实现上述一种大带宽体制下高速等离子体反射电磁波的建模方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，所述计算机程序在被处理器执行时，可实现上述一种大带宽体制下高速等离子体反射电磁波的建模方法的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或预设中间形式等。
[0137]
所述计算机可读存储介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、u盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(read-onlymemory，rom)、随机存取存储器(randomaccessmemory，ram)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。
[0138]
需要说明的是，所述计算机可读存储介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读存储介质不包括电载波信号和电信信号。
[0139]
应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系
统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。
[0140]
本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、cd或dvd-rom的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
[0141]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种大带宽体制下高速等离子体反射电磁波的建模方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、建立高速等离子体分层模型；步骤2、基于高速等离子体分层模型建立大带宽体制下高速等离子体分层反射分析模型；步骤3、基于大带宽体制下高速等离子体分层反射分析模型求解大带宽体制下高速等离子体反射电磁波表征。2.根据权利要求1所述的一种大带宽体制下高速等离子体反射电磁波的建模方法，其特征在于，所述的步骤1具体包括：步骤1.1、根据高速等离子体厚度l、第n层等离子体层厚度d
n
和从第1层等离子体到第n层等离子体的总厚度求解高速等离子体分层模型第n层等离子体电子密度n
e,n
：式中，n为高速等离子体分层模型层数序号，l
peak
表示达到峰值电子密度时距离目标表面的距离，n＝1、2、3
…
n，n为高速等离子体分层模型总层数；步骤1.2、根据单位电荷e、电子质量m
e
和真空介电常数ε0，基于步骤1.1中高速等离子体分层模型第n层等离子体电子密度n
e,n
，求解第n层等离子体特征角频率ω
p,n
及第n层等离子体特征频率f
p,n
：：3.根据权利要求1所述的一种大带宽体制下高速等离子体反射电磁波的建模方法，其特征在于，所述的步骤2具体包括：步骤2.1、根据宽带电磁波起始频率f
c
，频带宽度b，求解宽带电磁波终止频率f
end
＝f
c
+b；步骤2.2、基于步骤2.1中的宽带电磁波起始频率f
c
和宽带电磁波终止频率f
end
，得到宽带电磁波频域范围，并在宽带电磁波起始频率f
c
至宽带电磁波终止频率f
end
这一范围内，对高速等离子体宽带电磁波频域分集处理：宽带电磁波入射高速等离子体时，产生如下几种情况：情况2.2.1、当入射宽带电磁波的终止频率f
end
小于高速等离子体最外层等离子体特征频率f
p,1
时，宽带电磁波仅在高速等离子体最外层发生反射；情况2.2.2、当高速等离子体峰值特征频率f
p,max
小于入射宽带电磁波的起始频率f
c
时，宽带电磁波完全穿透高速等离子体，宽带电磁波在飞行器表面发生反射；情况2.2.3、当f
p,1
＜f
c
＜f
end
＜f
p,max
时，宽带电磁波整体入射至高速等离子体内部，不同频率分量分别对应不同入射深度，依据分集信号载波频率f
i
等于等离子体特征频率f
p,n
创建分集信号，其中i为分集信号的载频序列号，i＝0,1,2,
…
,i，i表示宽带电磁波频率分集处理后得到的分集总个数，f
i
表示宽带电磁波频率分集处理后得到的分集频率最大值，f
p,n
为第n层等离子体特征频率，分集信号载波频率f
i
对应的是宽带电磁波频率范围与各层等离子体特征频率的交集范围内各层等离子体的特征频率；情况2.2.4、当f
c
＜f
p,1
＜f
end
＜f
pmax
时，宽带电磁波部分入射至高速等离子体内部，不同频率分量分别对应不同入射深度，依据分集信号载波频率f
i
等于等离子体特征频率f
p,n
，创建分集信号；情况2.2.5、当f
p,1
＜f
c
＜f
p,max
＜f
end
时，宽带电磁波入射高速等离子体内部，部分分集信号穿透高速等离子体透射至目标表面，同时产生透明传输和电磁屏蔽效应；步骤2.3、计算各层等离子体复介电常数ε
n,i
，传播常数k
n,i
和本征波阻抗z
n,i
：根据真空介电常数ε0和第n层等离子体碰撞频率v
p,n
，基于第n层等离子体特征角频率ω
p,n
及步骤2.2中入射电磁波各分集信号载波频率f
i
，求得各层等离子体复介电常数ε
n,i
：由第n层等离子体复介电常数ε
n,i
联立入射电磁波各分集信号载波频率f
i
和真空磁导率μ0，求解第n层等离子体传播常数k
n,i
和第n层等离子体的本征波阻抗z
n,i
：：步骤2.4、由步骤2.3计算得到的第n层等离子体传播常数k
n,i
、第n层等离子体的本征波阻抗z
n,i
联立真空磁导率μ0和第n层等离子体厚度d
n
，根据双曲正弦函数sinh和双曲余弦函数cosh计算可得第n层等离子体的传输矩阵：步骤2.5、基于入射介质的本征波阻抗z0和最外层等离子体本征波阻抗z
1,i
，由等离子体反射系数计算公式求得最外层等离子体反射系数r
1,i
'，根据步骤2.4中各层等离子体传输矩阵，计算相邻等离子体层之间反射系数r
n,i
'：步骤2.6、基于步骤2.4中各层等离子体传输矩阵，求得第n层等离子体单层透射系数t
u,i
：其中，u为高速等离子体分层模型层数序号；步骤2.7、计算高速等离子体分层复反射系数：联立步骤2.5中各相邻等离子体层之间的反射系数r
n,i
'和步骤2.6中单层等离子体透射系数t
u,i
，将第n层等离子体复反射系数乘
以入射出射通路上各层等离子体的单层透射系数，求得分集信号载波频率f
i
由第n层等离子体反射至自由空间的复反射系数：步骤2.8、基于步骤2.2分集处理的各分集信号以载波频率f
i
入射高速等离子体及步骤2.7的分层反射系数计算方法，求解得到各层等离子体的反射系数：r
all,i
＝[r
1,i r
2,i r
3,i
…
r
n,i
]其中，r
n,i
表示分集信号以载波频率f
i
由第n层等离子体反射至自由空间的复反射系数，r
all,i
表示分集信号以载波频率f
i
对应的各层等离子体的反射系数矩阵，i为分集信号的载频序列号，i＝0,1,2,
…
,i，i表示宽带电磁波频率分集处理后得到的分集总个数。4.根据权利要求1所述的一种大带宽体制下高速等离子体反射电磁波的建模方法，其特征在于，所述的步骤3具体包括：步骤3.1、计算各分集信号耦合的多普勒频率：根据高速等离子体各层流场速度v
n
，求解各分集信号频率f
i
对应的耦合多普勒频率f
d,i
：步骤3.2、基于步骤3.1中的耦合多普勒频率f
d,i
，求解高速等离子体第n层等离子体的反射电磁波e
r
(t,n):设宽带电磁波可成i个分集信号，基于各分集信号在高速等离子体内反射系数空间分布特征，通过矢量累加求解高速等离子体第n层等离子体的宽带电磁波反射模型如下所示：其中，r
n,i
为第i个分集信号第n层的反射系数，|r
n,i
|表示反射系数的幅度，表示反射系数对入射电磁信号的相位调制系数；步骤3.3、计算大带宽体制下高速等离子体反射电磁波e
r
(t):基于步骤3.2中高速等离子体第n层等离子体的宽带电磁波反射模型e
r
(t,n)获得大带宽体制下高速等离子体反射电磁波如下所示：5.一种大带宽体制下高速等离子体反射电磁波的建模系统，其特征在于，包括：高速等离子体参数模型模块：建立高速等离子体分层模型，获得高速等离子体分层电子密度n
e,n
、特征角频率ω
p,n
、特征频率f
p,n
；分层反射系数计算模块：基于高速等离子体分层模型建立大带宽体制下高速等离子体分层反射分析模型，计算分集信号以载波频率f
i
由第n层等离子体反射至自由空间的复反射系数r
n,i
；大带宽体制下高速等离子体反射电磁波模块：基于大带宽体制下高速等离子体分层反
射分析模型求解大带宽体制下高速等离子体反射电磁波表征，获得大带宽体制下高速等离子体反射电磁波e
r
(t)。6.一种大带宽体制下高速等离子体反射电磁波的建模设备，其特征在于，包括：存储器：用于存储实现如权利要求1-4任一项所述的一种大带宽体制下高速等离子体反射电磁波的建模方法的计算机程序；处理器：用于执行所述计算机程序时实现如权利要求1-4任一项所述的一种大带宽体制下高速等离子体反射电磁波的建模方法。7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的一种大带宽体制下高速等离子体反射电磁波的建模方法的步骤。

技术总结
一种大带宽体制下高速等离子体反射电磁波的建模方法、系统、设备及介质，方法包括：建立高速等离子体分层模型，并基于高速等离子体分层模型建立大带宽体制下高速等离子体分层反射分析模型，再基于大带宽体制下高速等离子体分层反射分析模型求解大带宽体制下高速等离子体反射电磁波表征；系统、设备及介质用于实现一种大带宽体制下高速等离子体反射电磁波的建模方法；本发明通过计算高速等离子体分层模型各层等离子体实际复反射系数，获得高速等离子体的反射电磁波，具有可体现宽带反射电磁波耦合流场速度分布，且能揭示大带宽体制下等离子鞘套包覆目标电磁反射作用机制的特点。等离子鞘套包覆目标电磁反射作用机制的特点。等离子鞘套包覆目标电磁反射作用机制的特点。


技术研发人员：沈方芳 张中道 丁懿 白博文 李小平 刘彦明 陈旭阳
受保护的技术使用者：西安电子科技大学
技术研发日：2023.06.15
技术公布日：2023/9/20