空天情形下信号传输主要由无线电承担,这种通讯环境有时会伴有非均匀色散介质的存在,如卫星羽流、火箭尾焰及飞行器鞘套等。因物质的固有属性,它们将使电波表现出异于常规物质如空气中的传播行为,势必影响通信质量,甚至威胁实体安全。为防止此类问题的发生,需充分掌握电波在这些媒质中的传播行为。正是在这一研究背景下,本文以电波频率为主线、不同算法为构架,构建出一套非均匀色散介质全频段电磁计算方案,并应用于工程问题的分析。其中,低频问题采用时域有限差分法,高频问题运用射线跟踪和物理光学法。总体来看,论文内容可概括为下列几项:1.针对高维问题电磁分析高复杂度这一难点,提出一种降维度计算法。该方法的基本思路为:根据目标的几何特征与物理特性,采用一定数学手段将高维问题的计算,转化为低维问题的处理,以期降低计算的复杂度。在论文工作中,多次给出该方法的应用场景,包括曲面剖分、射线跟踪建模、工程数据处理与建模,以及复杂函数积分等。与此对应,文中还给出一种升维度法,用于低维至高维电磁模型的创建。此外,在降维度计算法基础上,论文还讨论了射线跟踪计算加速这一问题。2.基于数值分析与几何光学,给出一种涉及非均匀媒质的工程电磁算法,并应用于鞘套及羽流电磁传输问题。模型处理方面,结合降维法与数据插值等方法,将高维模型处理转换为低维问题分析,降低了计算复杂度。然后,根据等离子体中电波传播原理,采用龙格库塔和邻近点查询等方法,数值地求解电波在鞘套及羽流中的射线方程,重点研究了鞘套的电磁传输问题。根据不同参数条件如飞行器外形、高度与速度等,分析了鞘套对电波行为的影响。研究显示,因射线跟踪法的引入,文章从不同角度展现了电波在鞘套中的传播行为;同时也观察到一些特殊现象,例如电磁传输方向性及鞘套的导行特征等。结合鞘套的物理特性,对所得结果给予了适当的解释。3.非均匀媒质电磁仿真难点在于寻找有效且通用性强的建模法。围绕这一问题,本文展开了较为深入的研究,主要包括:(1)提出一种基于图像的电磁建模法。该方法利用光学图像与物理量的关系,以数字图像技术还原照片中的数据;根据目标的旋转对称性,采用升维法实现三维模型创建。仿真结果验证了方法有效性。以此为基础,给出该方法在羽流电磁建模方面的应用,探讨了它对电波行为的影响。(2)提出一种高精度分层建模法。该方法采用变换域思路确定分层方式及数量,构建分层模型;从理论上导出建模精度的控制方程,摆脱了分层法受限于建模精度不可控这一困难。数值结果证明了方法的正确性。此外,文中还探讨了基于离散数据插值的电磁建模法。4.将SO-FDTD引入含鞘套飞行器的电磁计算问题,研究了0~10 GHz范围电波的传播与散射特征。首先,为更好地模拟电波的传播环境,文中采用商业软件COMSOL仿真高超声速飞行条件下飞行器外部流场,涵盖钝头和尖头两类飞行器;并在飞行器中建立了天线及天线罩模型。然后,采用SO-FDTD及相关数值计算方法,分析飞行高度与速度等多个因素,对飞行器的电磁传输及散射特征的影响;并率先展开飞行器结构对这一影响的研究。结果显示,因受鞘套及飞行器结构等综合影响,电波表现出丰富的传播及散射行为;比如,传播特性方面显示出频带移动、尾部绕射以及能量共振吸收等现象;散射特性方面表现出,飞行器外形、棱边与天线结构对散射行为贡献明显等特征。5.电大非均匀媒质电磁散射问题,常规算法如时域有限差分法与有限元法已难以应对,而传统物理光学法又已经失效。为获得此情形下远区散射场及目标散射特征,本文从Stratton-Chu公式与高斯定理出发,采用降维法将公式关于闭合曲面的积分,转换为无穷平面上的积分;接着,运用工程近似及矢量分析等数学手段,再将公式无穷平面积分形式,转化为有限平面上的积分;进一步推演出两种新的远场计算式。随后,探讨了它们的一致性问题,由此导出散射场的第三种计算形式;所得公式表现出形式简洁、物理意义直观的特点。在此基础上,文中还进一步研究了场的时域外推问题,导出相应的计算公式,并对公式性质进行了简要地探讨。数值算例验证了结果的正确性。