采用微波诊断技术对气压300 Pa, S波段HPM条件下形成的低温、弱电离、非均匀和强碰撞大气等离子体特性参数开展了初步诊断研究。获取了9~15 GHz连续波穿过HPM等离子体区域的透射波形, 并对波形进行了归一化处理; 通过不同频率微波的透射特性, 假设等离子体电子数密度分布呈Epstein分布, 分析了可能的电子数密度最大值。该研究成果的获取为HPM大气等离子体在隐身、阻断信息链等方面的应用提供了重要的技术支撑。

结合电子流体方程与 Maxwell方程组,对单脉冲高功率微波 (HPM)大气击穿过程进行仿真,采用时域有限差分方法 (FDTD)并结合 HPM自生等离子体的特征参数，仿真了不同压强和场强下单脉冲 HPM自生等离子体的参量变化，分析了 HPM频率为 6.4 GHz时，不同场强、压强下的大气击穿时间，并开展了大气击穿实验加以验证。理论分析与实验结果表明，实验与理论分析结果一致，压强与场强的变化对大气击穿时间均有显著影响，原因在于场强和压强对大气击穿种子电子浓度的变化起决定性作用，进而影响大气击穿时间。场强为 kV/cm量级时，大气击穿时间在 10 ns量级，在相同的场强下，随着压强的增大，击穿时间会先减小再增加。相同的大气压强条件下，场强越高，大气击穿时间越短。

综合考虑高功率微波对电子的加速过程以及电子与气体分子的碰撞过程，建立了单一气体与混合气体击穿过程的蒙特卡罗仿真模型，编写了三维蒙特卡罗仿真程序(3D-MCC)。针对单一气体Ar和N2以及混合气体N2/O2展开研究，仿真了气体雪崩击穿电子云形成过程，对比分析了不同气体电子能量分布函数随压强的变化规律。发现了Ar击穿特性受电子能量分布函数影响较大，而N2击穿特性受电子能量分布函数影响较小。通过分析平均电子能量以及电子密度随时间的变化过程，得到了Ar和N2击穿时间，并通过与流体模型计算得到的击穿时间比对分析验证了3D-MCC模型的正确性。在真空腔体内开展了S波段高功率微波大气击穿实验，测量得到了场强为6.38 kV/cm时不同压强下的大气击穿时间。通过在辐射源与真空腔体之间增加聚焦透镜，大大减小了壁效应的影响，并且采用模型仿真得到的大气击穿时间与实验结果吻合较好。

大气击穿是高功率微波(HPM)大气传输研究最主要的内容。一方面高功率微波辐射天线近场以振荡场形式存在，在某些局部点形成场强的峰值分布，导致天线近场击穿、天线口径面介质击穿等一系列复杂的问题；另一方面，随着单台微波源功率的大幅提高和功率合成技术的发展，天线远场区的大气击穿问题越来越突出。如何判别是否存在大气击穿，如何确定判断的依据，都是需要解决的问题。论文提出依据击穿阈值和天线辐射场与高度关系曲线的变化规律进行判断。当HPM初始辐射场小于该区域大气击穿阈值，且上述两条曲线之间存在交点，即说明存在HPM辐射天线未击穿而传输路径近场区或远场区可能满足大气击穿条件的情况，这一现象也在相关实验中得到了证实。

高功率微波大气击穿实验中，入射功率在大气击穿阈值附近，即使外界条件相同，大气击穿可能发生也可能不发生。针对这一问题，基于大气击穿机理，将大气击穿分为首个电子出现在击穿区域和高功率微波电场导致雪崩击穿两个过程。针对第一个过程，建立了改进的电子连续性方程，引入平均电子产生率分析大气击穿发生前电子出现的概率问题；针对第二个过程，建立了高功率微波大气雪崩击穿概率模型。综合两个过程，建立了高功率微波大气击穿概率模型，仿真了不同压强条件下大气击穿的概率，并与相关实验数据进行了比对，仿真结论与实验数据吻合较好。

给出了描述高功率微波脉冲大气非线性传输及微波大气等离子体特征演化的方程组，并在以微波群速度运动的局域坐标系下完成程序编制。据此模拟分析了高功率微波大气长程非线性传输及自产生大气等离子体的基本物理过程，给出了在击穿建立过程中，电子数密度增长与电子温度升高之间的关系。模拟结果表明: 由于大气层中本底自由电子数密度较低，高功率微波脉冲到达时会迅速地将大气中现有的自由电子加热至平衡温度，与之相比导致电子数密度雪崩式增长的击穿过程要缓慢得多，而且随着击穿过程的开始电子温度会从平衡温度快速下降。

对高功率微波脉冲的大气击穿进行了理论分析和数值模拟, 推导了单脉冲和重复频率脉冲两种情况下电子数密度的变化表达式通过计算给出了在不同大气压强、脉冲宽度以及重复频率的条件下, 高功率微波脉冲大气击穿阈值的变化规律。设计了高功率微波大气击穿实验系统, 并开展了实验研究, 实验的结果与数值模拟结果基本一致。

研究了重复频率高功率微波脉冲作用下的大气击穿。分析了重复频率脉冲作用下电子的弛豫过程,对脉冲间隔时间内电子温度和自由电子密度的变化规律进行了研究,得出了电子温度弛豫时间远小于电子密度弛豫时间的结论。分析了电子弛豫过程的附着效应和复合效应,给出了高功率微波重复频率脉冲作用下发生大气击穿的条件和重复频率高功率微波大气击穿的电子数密度方程。

理论研究了重复频率高功率微波脉冲在大气中的传输特性,推导了n个高功率微波脉冲之后空间某点的电子密度,数值模拟并给出了在不同微波频率、大气压强、脉冲宽度以及脉冲间隔的条件下,大气击穿时,透射过去的脉冲个数与微波功率的关系.模拟结果表明:当微波脉冲参数一定时,压强越小,透射过去的脉冲个数越少,大气越容易发生击穿;当压强一定时,脉宽越宽,微波频率越小,透射过去的脉冲个数越少,大气越容易发生击穿.

针对大气中飞行器的等离子体隐身问题,数值计算了ns量级强激光击穿大气的阈值,讨论了一些相关条件对阈值的影响.结果表明:对于ns量级的入射激光,波长越长,大气的击穿阈值越小;气压越大,击穿阈值也越小;气体中存在的初始电子对不易产生光电离的长波长入射激光的击穿阈值,有明显的减少作用,但对短波长入射激光的击穿阈值几乎没有影响;脉宽越宽,激光辐照的时间越长,大气击穿的阈值越小.