FDTD算法分析电磁脉冲对太阳能供电系统的影响

论文摘要

从21世纪以来,我国的航空航天技术取得了飞速的发展,各大军事强国也加强了太空军事化。为了争夺太空资源,各大军事强国加大对太空武器的研发,其中电磁脉冲（EMP）武器作为电子战中重要的定向能武器之一,由于具有频带带宽较宽、作用范围广和损伤能力强等特点,使得各国政府不得不着重加强卫星等电子电气设备对电磁脉冲的防护工作。太阳能电池板是卫星重要的供电系统,给航空航天设备提供了持续稳定的电能。作为全波时域算法的时域有限差分法（FDTD）,以其易于实现、天然并行等优点,广泛的应用在各个领域中。然而由于传统时域有限差分法自身存在的缺陷,导致其计算的数值结果精度不足。为了解决这一难题,在高阶FDTD算法的基础上,本文改进了时谐场的近-远场外推技术,提高了该算法的计算精度。本文采用高阶FDTD算法,从不同方面分析了高功率电磁脉冲对太阳能供电系统的影响,并给出了对高功率电磁脉冲防护的一些可行性建议。首先,本文对传统FDTD算法的迭代方程进行了推导,并详细推导了完全匹配层（PML）中的电磁场分量的计算公式。采用pade近似,改进了PML介质层中的超越函数,统一了整个计算区域的迭代公式,简化了编程计算。其次,研究了使用FDTD算法计算目标的电磁散射。在总场边界处引入平面波,并给出了总场边界条件。然后详细推导了在散射特性计算中时谐场的近-远场外推技术,并通过两个数值算例,验证了我们编写程序的正确性。然后,为了提高传统FDTD算法的数值计算精度,对高阶FDTD算法进行了研究。详细推导了高阶FDTD（2,4）算法中电磁场分量的迭代公式,并修改了在高阶FDTD算法中的PML层的迭代系数和总场边界条件。采用递归多项式插值,改进了在此算法中的近-远场外推技术。采用传统FDTD算法和高阶FDTD算法,分别对两个数值散射算例的计算结果与商业电磁仿真软件CST进行对照,验证了该算法的有效性。最后,采用高阶FDTD算法,分析了电磁脉冲对太阳能供电系统的影响。通过计算得到了在EMP信号从不同入射方向、不同极化形式和不同上升沿时间控制系数下,单元晶体硅电池板、四单元太阳能电池板以及八单元太阳能电池板的不同参考点处的耦合电场、耦合磁场、耦合电流以及远区E面雷达散射截面（RCS）,并对其结果进行分析,对太阳能供电系统的高功率电磁脉冲防护,提供了一些参考性和可行性建议。最后研究了基于OpenMP的并行FDTD技术,提升了该算法的计算效率。

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文章来源

类型: 硕士论文

作者: 焦世岩

导师: 徐乐,万继响

关键词: 太阳能供电系统,高功率电磁脉冲,高阶时域有限差分,雷达散射截面

来源: 西安电子科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 数学,武器工业与军事技术,电力工业

单位: 西安电子科技大学

分类号: O241.3;TM914.4;TJ86

DOI: 10.27389/d.cnki.gxadu.2019.001227

总页数: 98

文件大小: 17076K

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