超高速及旋转复杂目标的电磁散射特性研究

The velocity of ballistic missile, satellite and emerging near space aerocraft is usually greater than five Mach. Some of them may be rotating simultaneously for flying stability. Some of them may have coating material. For re-entry bodies, ionization wake may be produced. Studies of scattering properties of this kind of superfast and rotational complex targets are necessary to support imaging and recognition. It has great academic meaning and application value. In this project, time domain integral equation method and time domain volume integral method are adopted to simulate their responses in the target frame, which can be in arbitrarily motion, such as hypervelocity combined acceleration, spinning or conning. Based on the so-called frame-hopping method, the scheme will be completely relativistic, i.e., relativistic transforms of coordinates and fields between laboratory frame and target frame will be derived and applied. Extraction of scattering properties will be performed, including the Doppler and micro-Doppler characteristics resulting from bulk translations and simultaneous rotations, respectively. Influences of motions on the 1D range profile and 2D ISAR imaging will be analyzed. Experimental studies will be conducted, including extraction of micro-Doppler characteristics of rotating objects and measurements of scattering properties of targets at hypervelocity. Evaluation of reliability of simulation methods will be made by using the experimental data.

弹道导弹和卫星以及正在开发的临近空间飞行体，速度一般达到5个马赫以上,有些目标为了飞行稳定性还伴随着旋转,有些目标有涂敷,对再入体还有尾迹问题。对这一类超高声速及旋转复杂目标的电磁散射特性进行分析，为成像与识别方法研究提供支撑，是当前国家的重大需求，具有重要的学术意义和应用价值。本项目拟采用时域积分方程法和时域体积分法，建立完全基于相对论时空变换和电磁场变换的超高速及旋转复杂目标散射数值分析方法论，可适用于任意复合运动形式，包括匀速、加速、自旋、锥旋、摆振等。对目标的散射特征进行分析和提取，包括超高速和加速产生的多普勒特征和旋转运动产生的微多普勒特征，以及各种复合运动形式对目标成像与识别方法的影响，如一维距离像和二维逆合成孔径成像等。开展低速旋转目标的微多普勒特征测量实验、超高速目标散射特性测量实验，以实测数据对数值模拟方法的可信度进行评估。

超高速目标的电磁散射特性分析对目标探测、识别、通信和控制具有重要研究意义，符合国家当前重大需求。主要研究内容包括：（1）针对任意运动目标（超高速并伴随多重旋转），建立了基于爱因斯坦“框架跳跃法”（即参考系统变换法）的数值仿真方法论，并发展了时域积分方程法和适合求解金属与非均匀介质组合体散射的体-面积分方程法。（2）对超高声速（大于5马赫）目标产生的等离子体鞘套（Plasma Sheath, PS）进行了数值仿真建模，考虑了高度、速度和攻角等飞行参数对PS分布的影响，并计算分析了PS对目标后向散射特性的影响。（3）对实际的超高声速目标进行了散射特性仿真计算，并与实验结果进行了比较，还利用仿真数据或实测数据开展了目标参数提取和识别方法研究。获得的重要结果和数据包括：（i）开发的电磁散射模拟方法和程序正确有效，得到实验测量数据的验证，误差在3dB范围内。（ii）通过仿真计算得到了相当“真实”的PS分布特征，当速度超过20马赫时，PS中的电子浓度可达18次方量级，温度可超过1万度，与NASA实测数据大致吻合；计算分析得到了不同速度和攻角下的PS对后向散射截面（RCS）的影响，典型值可达5dB。（iii）对一大批超高声速目标的实测数据进行了分析和处理，得到了有价值的结果，这些基础数据具有非常重要的军民两用价值。基于所开发的有效仿真分析工具和所获得的模拟与测量数据，本项目对提升我们对临近空间超高声速目标与PS组合体的电磁响应特性的认识，具有重要的学术意义和应用价值。