[发明专利]一种基于自洽迭代的电磁脉冲计算方法及系统

说明书

本发明公开一种基于自洽迭代的电磁脉冲计算方法及系统，属于电磁脉冲数字信号处理技术领域，方法包括：基于高空电磁脉冲产生和电磁脉冲环境构建模型，包括康普顿电流模型、次级电子模型、及空间电磁场模型，并分析模型关键参数之间的自洽关系；基于模型关键参数之间的自洽关系，采用迭代自洽方法进行迭代；将满足误差要求的k+1次迭代的电场作为电磁脉冲计算结果输出。本发明能够处理电磁场与康普顿电子之间的自洽效应，以及电磁场与次级电子之间的相互作用，通过迭代仿真方案可以实现广域范围内的电磁脉冲的自洽仿真，同时大大提高HEMP仿真的效率。

技术领域

本发明属于电磁脉冲数字信号处理技术领域，具体涉及一种基于自洽迭代的电磁脉冲计算方法及系统。

背景技术

高空电磁脉冲(High-altitude electromagnetic pulse，HEMP)，是指在地面上方30km以上空间产生爆炸后，各种电离源(主要是瞬发γ辐射)对大气进行电离、电子在地球磁场作用下产生的光域分布的电磁脉冲辐射，通常需要包括粒子-流体-电磁的混合模拟模型进行仿真。HEMP对基础设施如电力系统、铁道系统、通信系统等具有较大威胁，对广域分布的HEMP的数值模拟及统计研究十分重要，可以为电磁威胁评估、防护设计提供理论。

HEMP的产生和传播过程是一个自洽的过程，包括电磁场与康普顿电子的自洽效应，电磁场与次级电子的相互作用。自洽效应对电磁脉冲的具有较大影响，但考虑自洽过程会使得仿真变得复杂，使得仿真耗时随被仿真时间指数增长。常见的基于particle-in-cell(PIC)的仿真只能给出源区内部个别位置处的自洽仿真结果，无法实现对于广域范围电磁脉冲的仿真。因此充分考虑物理过程的自洽HEMP高效模拟方法对于支持HEMP的非常重要。

通常情况下HEMP的产生和传播是同时进行的，需要考虑电子和电磁场之间的自洽效应，包括电磁场与康普顿电子的自洽效应，电磁场与次级电子的相互作用。瞬发γ辐射在高空与空气分子发生相互作用，其中康普顿散射产生康普顿电子，运动的康普顿电子与空气分子发生碰撞产生速度较慢的次级电子，运动的康普顿电子和次级电子分别形成康普顿电流和次级电流。康普顿电流和次级电流与空间电磁场相互作用，并在非球对称的地磁场、空气密度等因素影响下产生HEMP。HEMP的产生过程示意图如图1所示，自洽效应对电磁脉冲的具有较大影响，但考虑自洽过程会使得仿真变得复杂，使得仿真耗时随被仿真时间指数增长。随着计算机技术的发展，考虑到自洽效应的复杂HEMP模拟方法就得到了重视，常见的基于particle-in-cell(PIC)仿真只能给出源区内部个别位置处的自洽仿真结果，无法实现对于广域范围电磁脉冲的仿真。同时，瞬发伽马当量、爆炸高度等一些物理参数的变化会对高空核电磁脉冲的电磁场的时空分布产生显著影响，为了评估HEMP对基础设施的影响和威胁。

现有HEMP非自洽仿真效率高，但对物理过程的考虑不足造成HEMP幅值和脉宽较实际结果偏大，现有HEMP自洽仿真对物理过程考虑充足，但计算效率低下，难以在有限的计算时间内给出广域范围的HEMP时空分布。

发明内容

为解决上述问题，发明提供了一种基于自洽迭代的电磁脉冲计算方法及系统，本发明能够处理电磁场与康普顿电子之间的自洽效应，以及电磁场与次级电子之间的相互作用，该方法可以大大提高HEMP仿真的效率。

本发明的具体技术方案如下：

一种基于自洽迭代的电磁脉冲计算方法，包括：

基于高空电磁脉冲产生和电磁脉冲环境构建模型，包括康普顿电流模型、空气电导率模型及空间电磁场模型，并分析康普顿电流模型、空气电导率模型及空间电磁场模型中对应的模型关键参数之间的自洽关系；

基于模型关键参数之间的自洽关系，采用迭代自洽方法进行计算：