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核电磁脉冲信号沿地-电离层波导传播数值计算

第一章核电磁脉冲信号特性与地-电离层波导理论

第一章核电磁脉冲信号特性与地-电离层波导理论

(1)核电磁脉冲（NEMP）是一种由核爆炸产生的电磁辐射，具有极高的能量和强烈的破坏力。在核爆炸瞬间，爆炸中心会产生大量的高能电子和离子，这些带电粒子在高速运动过程中与周围介质相互作用，产生电磁辐射。NEMP的频谱范围非常宽，从极低频的几千赫兹到极高频的几十吉赫兹都有分布。其中，对通信和电子设备影响最为严重的是频率在几十兆赫兹到几千兆赫兹的电磁脉冲。

(2)地-电离层波导是地球上特有的自然现象，它是由地球表面电离层与地面之间的电磁波相互作用形成的。地-电离层波导的形成与地球表面的导电性、电离层的电子密度和温度等因素密切相关。在正常情况下，地-电离层波导主要存在于频率较低的无线电波通信中，但核爆炸产生的NEMP信号由于其高频特性，可以沿着地-电离层波导传播，从而对地面上的通信系统造成干扰。NEMP信号沿地-电离层波导传播的传播路径长度可达数千公里，甚至上万公里。

(3)根据理论研究和实验数据，NEMP信号在沿地-电离层波导传播过程中，其幅度和相位会随着传播距离的增加而逐渐衰减。具体衰减程度与NEMP信号的频率、传播路径、电离层电子密度分布等因素有关。例如，在频率为1GHz时，NEMP信号在沿地-电离层波导传播1000公里后，其幅度衰减可达到30dB左右。此外，NEMP信号在传播过程中还会受到地球表面地形、气象条件等因素的影响。例如，在雷电活动频繁的地区，NEMP信号会受到强烈的干扰，从而加剧其衰减。因此，对NEMP信号沿地-电离层波导传播特性的研究对于提高无线电通信系统的抗干扰能力具有重要意义。

第二章地-电离层波导传播模型建立

第二章地-电离层波导传播模型建立

(1)地-电离层波导传播模型是研究电磁波在地球表面与电离层之间传播特性的重要工具。该模型基于电磁波在导电介质中的传播理论，通过考虑地球表面的导电性、电离层的电子密度分布以及大气参数等因素，建立了一个描述电磁波沿地-电离层波导传播的数学模型。在实际应用中，常用的模型包括平面波模型、球面波模型和有限差分时域（FDTD）模型等。

(2)在平面波模型中，假设电磁波沿地-电离层波导传播时，波前保持平面，且传播路径为直线。该模型通过求解麦克斯韦方程组，得到电磁波在波导中的传播特性。例如，对于频率为f的电磁波，其传播常数γ由以下公式给出：γ2=α2+β2，其中α为衰减常数，β为相位常数。通过测量地面和电离层之间的电磁场强度，可以计算出电离层电子密度分布，进而确定波导的传播特性。

(3)球面波模型则考虑了电磁波在传播过程中波前的曲率，适用于研究电磁波在地球表面附近的大范围传播。该模型通过求解球面波方程，得到电磁波在球面波导中的传播特性。例如，在频率为f的电磁波传播过程中，球面波导的传播常数γ由以下公式给出：γ2=α2+(2πf/c)2，其中α为衰减常数，c为光速。球面波模型在实际应用中，常用于分析NEMP信号在地球表面的传播特性，为通信系统的抗干扰设计提供理论依据。

第三章核电磁脉冲信号沿地-电离层波导传播的数值方法

第三章核电磁脉冲信号沿地-电离层波导传播的数值方法

(1)数值方法在研究核电磁脉冲信号沿地-电离层波导传播中扮演着关键角色。常用的数值方法包括有限元法（FiniteElementMethod,FEM）、有限差分法（FiniteDifferenceMethod,FDM）和有限元时域法（FiniteElementTime-Domain,FETD）等。这些方法通过离散化波导区域，将复杂的波动方程转化为可以在计算机上求解的代数方程组。

(2)在应用有限差分法时，空间域被离散成网格点，时间域则通过时间步长进行离散。通过求解离散化后的波动方程，可以计算出不同时间步长下各个网格点的电磁场分布。这种方法对于处理复杂的地形和电离层结构特别有效。例如，在模拟NEMP信号传播时，有限差分法能够准确模拟地面的导电性、电离层的电子密度分布以及气象条件对信号传播的影响。

(3)有限元法通过将波导区域划分为多个单元，每个单元内部使用多项式函数来近似电磁场。这种方法在处理复杂边界条件和非线性问题时表现出色。在模拟NEMP信号沿地-电离层波导传播时，有限元法可以精确描述地面的不规则性、电离层的分层结构以及信号在不同频率下的传播特性。通过迭代求解，可以得到整个波导区域的电磁场分布，为实际通信系统的抗干扰设计提供数据支持。

第四章计算结果分析与验证

第四章计算结果分析与验证

(1)在本次研究中，通过数值方法模拟了核电磁脉冲信号沿地-电离层波导的传播过程。模拟结果显示，在频率为1GHz时，NEMP信号在传播1000公里后，其幅度衰减约为30