高速模型尾迹流场及其电磁散射特性相似性实验研究

高速目标再入大气层或在临近空间飞行时,空气电离形成的等离子体鞘套和尾迹对目标的雷达散射特性会产生影响.为了研究不同模型尾迹流场及其电磁散射特性规律和相似性,以氧化铝球模型为研究对象,在弹道靶设备上开展了双尺度参数相同的条件下高速球模型尾迹流场及其电磁散射相似性实验研究.由二级轻气炮发射模型,模型直径分别为8.0、10.0、12.0、15.0 mm,速度约6 km/s,靶室压力分别为6.3,5.0,4.2,3.3 k Pa,采用阴影照相系统测量模型激波脱体距离、电子密度测量系统测量模型尾迹的电子密度分布、X波段单站雷达系统测量在视角为40?的模型及流场的雷达散射截面(RCS)分布.实验结果表明:在速度不变、双尺度参数相同的条件下,随着模型尺寸的增加,激波脱体距离逐渐增加,激波脱体距离与模型直径之比近似相同;不同模型尾迹电子密度测量曲线的趋势和数量级一致,表明不同模型的尾迹流场适用于双缩尺律;不同尺寸模型尾迹的总体RCS与分布RCS均不相同,表明不同模型尾迹的电磁散射不适用于二元缩尺律;高速球模型全目标电磁散射能量分布在模型及其绕流区域、等离子体尾迹区域;高速球模型全目标电磁散射能量在模型及绕流场区域出现1个强散射中心,在模型湍流尾迹区域出现多个散射中心;高速球模型尾迹的RCS测量信号呈现随机性分布特性,幅度脉动和频率脉动均没有周期性;随着模型尺寸的增加,模型尾迹的总体RCS增加,尾迹脉动频率的变化范围减小.     

高超声速类HTV2模型全目标电磁散射特性实验研究

针对临近空间高超声速飞行器目标探测与识别研究的需求,开展了高超声速飞行器非均匀等离子体电磁散射特性模拟测量研究.利用弹道靶设备发射高超声速类HTV2模型形成模拟的超高速复杂外形目标,弹道靶高精度阴影成像系统和雷达测量系统分别测量高超声速类HTV2模型姿态、全目标C波段/X波段电磁散射特性,获得了不同实验条件下模型全目标雷达散射截面积(RCS)等实验数据.研究结果表明:在不同实验状态下,包覆等离子体鞘套的高超声速类HTV2模型同一测量波段的RCS差别超过1个数量级,模型姿态角对包覆等离子体鞘套的高超声速类HTV2模型RCS影响较大,最大相差1个多数量级;在给定的实验条件下,模型尾迹C波段RCS远小于包覆等离子体鞘套的模型RCS,模型尾迹X波段RCS显著增强;高超声速类HTV2模型全目标C波段电磁散射能量主要分布在模型及其绕流区域, X波段电磁散射能量主要分布在模型及其绕流区域和等离子体尾迹区域.根据弹道靶实验条件,开展了包覆等离子体鞘套的高超声速类HTV2模型电磁散射特性数值仿真,仿真结果与实验结果之间的最大误差小于4 d B,验证了本文提出的非均匀等离子体包覆目标电磁散射特性建模方法的...     

再入尾迹湍流对雷达散射截面影响分析

通过探讨高超声速再入湍流尾迹等离子体场中电磁波的散射机制,推导出在工程上描述湍流亚密等离子体雷达散射的一阶畸变波Born近似模型,分析了该模型在充分发展湍流尾迹等离子体场中的适用性,完成了适用于三维尾迹等离子体场的程序设计.以已有的湍流尾迹等离子体流场数据为基础,分析了再入尾迹湍流等离子体流动对雷达散射截面的影响.选取考察的几个有代表性的因素为:湍流模型、转捩过程、湍流尺度、电子组分脉动初始条件等.由结果可以看到,湍流转捩过程和湍流尺度对雷达散射截面值影响不大;电子组份脉动强度初始值影响较明显;湍流模型在特定条件下影响亦不大.     

太赫兹目标RCS缩比测量技术

论述了国外基于微波上倍频、激光下变频、THz时域光谱三种典型太赫兹波目标雷达散射截面(RCS)缩比测试系统的构成、技术特点和应用范围。采用固态器件、基于微波上倍频技术集成研制了宽带太赫兹低频端目标RCS测量系统,采用基于扫频的时域法RCS测量技术和小角度旋转目标雷达合成孔径（ISAR）成像方法对小目标进行了电磁散射特性测量,获取了目标RCS和二维散射成像信息。     

高超声速模型尾迹电子密度二维分布反演方法

弹道靶利用二级轻气炮将模型加速到高超声速状态,模型在靶室内超高速飞行时形成等离子体尾迹.为实现高超声速模型尾迹电子密度径向二维分布诊断,利用七通道微波干涉仪测量系统获得了高超声速模型尾迹截面不同位置处平均电子密度.该系统采用一发七收的方式,实现平面波照射等离子体及平面波接收,天线波束可完全覆盖尾迹径向范围.多通道微波干涉仪数据处理过程常将等离子体视为分层介质,考虑到分层界面上折射效应的影响,本研究利用射线追踪方式建立电磁传播模型,结合测量数据建立目标函数,通过遗传算法优化来反演高超声速模型尾迹电子密度径向二维分布.该数据处理方法的电子密度反演结果与相同来流条件下的数值模拟结果对比吻合较好,初步验证了该方法的有效性.分析了分层模型对电子密度分布特性的影响,结果表明利用七层模型对尾迹建模效果最佳,且适用于不同厚度尾迹,最大化利用接收通道数,确保了计算精度.利用该方法实现弹道靶高超声速球模型尾迹电子密度二维分布诊断,并给出了给定实验状态下模型尾迹电子密度二维分布的一些规律.     

等离子体覆盖立方散射体目标雷达散射截面的时域有限差分法分析

采用分段线性电流密度递归卷积时域有限差分（PLJERC-FDTD）算法计算了均匀非磁化等离子体覆盖三维立方体目标的散射特性.分析了等离子体厚度、密度和碰撞频率对雷达散射截面（RCS）的影响.计算结果表明：等离子体包层能有效地减小雷达目标的RCS，当等离子体频率比入射电磁波频率小得多时，主要靠增大等离子体的厚度使立方散射体目标的RCS值减小，增大等离子体碰撞频率对立方散射体目标的RCS值影响不大；当等离子体频率约为入射电磁波频率的一半时，增大等离子体厚度和碰撞频率都对立方散射体目标的RCS值减小有影响；当等 关键词： FDTD算法 电磁波 等离子体隐身 雷达散射截面     

三维时变等离子体目标的电磁散射特性研究

基于电流密度拉普拉斯变换方法改进的时域有限差分(LTJEC-FDTD)算法, 研究时变等离子体目标的电磁散射特性.由Maxwell方程和等离子体本构方程出发, 利用拉普拉斯变换和拉普拉斯逆变换, 推导出计算三维时变问题的时域有限差分(FDTD)算法的迭代式. 采用模式匹配方法验证了FDTD迭代式的正确性, 并通过计算等离子体球的雷达散射截面(RCS)验证了算法相关边界的正确性. 最后用LTJEC-FDTD算法分析了涂覆时变等离子体的战斧式巡航导弹的RCS. 关键词： 时变等离子体 雷达散射截面 模式匹配方法 时域有限差分方法     

基于宽带扫频的导弹RCS测量与分析

针对导弹的典型几何外形结构,基于高频散射机理对其散射特性进行了初步分析,包括散射源分布及其散射类型、各散射源散射特性随导弹姿态的变化趋势等。接着,利用宽带扫频RCS测量系统对导弹L、X波段RCS和X波段一维距离像进行了测量,得到了导弹在不同技术条件下的RCS曲线和一维距离像。最后,对测量结果进行了初步分析。测量结果表明：导弹头锥仓与进气道腔体存在较大散射,尤其是进气道壁与弹体之间连接缝隙的散射较为突出;导弹在X波段下的RCS较L波段小,且受姿态变化的影响更为敏感;另外,导弹RCS峰值点并未出现在迎头向,而是偏离迎头向一定角度,尤以X波段下最为明显,偏离角度达20°左右。测量结果为导弹在试验中的应用,包括试验设计、试验结果分析与评估、等效推论等提供了重要的技术依据。     

激波风洞设施中的等离子体包覆目标电磁散射实验研究

利用JF10高焓激波风洞设施, 进行了等离子鞘包覆目标的电磁散射测量实验. 基于矢量网络仪的步进扫频体制, 在C波段进行实验, 观测到等离子鞘对目标雷达散射截面(radar cross section, RCS)的影响. 并且, 目标散射测量值中直接体现了激波风洞的高速气流状态信息: 气流前段会造成散射回波的剧烈变化且稳定性差, 持续0.5–1 ms; 激发的等离子鞘有效持续时间仅约为2 ms, 衰减了目标RCS回波.     

介质涂覆位置对双S弯排气系统电磁散射特性影响研究

尾喷管作为飞行器后向强散射源之一, 可通过特殊结构设计和介质涂覆缩减其雷达散射截面(RCS). 本文采用迭代物理光学法和阻抗边界条件的混合计算模型, 研究了6种涂覆方案和不涂覆时双S弯排气系统的电磁散射特性, 采用所提出的射线行程追踪方法提高了几何消隐计算效率, 利用前后向迭代方法加速收敛并采用openMP和MPI并行技术缩短计算时间, 获得了在X波段下7种模型的RCS随探测角度的变化规律. 研究结果表明, 介质涂覆能够有效抑制双S弯排气系统的RCS; 合理的介质涂覆方案不仅具有明显的抑制效果, 同时又具有经济性好、重量轻及涂覆方便等优势; 相比全涂覆方案, 仅在喷管出口附近涂覆的方案, 可减少73.6%的涂覆材料, 且其RCS的最大增幅不超过15.6%, 相比未涂覆方案, RCS 至少降低18.5%. 同时所开发的计算程序可用于任意腔体电磁散射特性的计算, 可为带介质涂覆腔体试验提供技术支撑.     

Collective Scattering of Electromagnetic Waves from a Relativistic Magnetized Plasma

Recently, laser and microwave scatterings have become one of the important diagnostic means for plasma. Laser and microwave correlative scattering spectrum is determined by particle-density fluctuations in a weak turbulent plasma. In a relativistic plasma, on the basis of complete electromagnetic interaction between particles, a general expression for particle density fluctuations and spectra of laser and microwave scattering from a magnetized plasma are derived. The laser and microwave scattering spectra provide information on electron density and temperature, ion temperature, resonance and nonresonance effects.     

信号在时变等离子体中的传播特性

高速飞行器等离子鞘套由于飞行姿态调整、湍流、非均匀烧蚀等因素的影响,使其等离子体参数存在时变特性,针对这种传输介质的快速时变特性引起的电波幅度、相位上的寄生调制效应,本文利用大面积辉光放电等离子体产生装置,搭建了等离子体中信号传输实验系统,进行了S频段的单频信号与调制信号传输实验,观测验证了调制效应的存在,且其调制频率与等离子体变化频率具有一致性,进一步分析了等离子参数与寄生调制效应的关系,理论和实验结果表明:即使当载波频率大于等离子频率时,时变等离子引起的寄生调制效应也会使传输信号的星座图发生旋转,造成其判决容差裕度变小,通信可靠性下降,并且载波频率越接近等离子频率时,其寄生调制效应越强烈。     

基于编码超表面的太赫兹宽频段雷达散射截面缩减的研究

本文设计了一种柔性, 非定向低散射的1bit编码超表面, 实现了太赫兹宽频带雷达散射截面的缩减. 这种设计基于对“0”和“1”两种基本单元进行编码, 其反射相位差在很宽的频段范围内接近180°, 为一种非周期的排列方式, 该电磁超表面使入射的电磁波发生漫反射, 从而实现雷达散射截面的缩减. 全波仿真结果表明, 在垂直入射条件下, 编码超表面的镜像反射率低于-10 dB的带宽频段范围为1.0-1.4 THz, 该带宽内超表面相对同尺寸金属板可将雷达散射截面所减量达到10 dB以上, 最大缩减量达到19 dB. 把柔性编码表面弯曲在直径为4 mm的金属圆柱面上, 雷达散射截面的所减量高于10 dB以上的带宽频段范围为0.9-1.2 THz, 仍然可实现宽频带缩减特性. 总之, 编码超表面为调控太赫兹波提供一种新的途径, 将在雷达隐身、成像、宽带通信等方面具有重要的意义.     

Electromagnetic scattering model of the Kelvin wake and turbulent wake by a moving ship

Taking the attenuation character of the Kelvin wake and the limitation of the traditional two-scale method into account, the practical electromagnetic (EM) scattering model of the Kelvin wake is obtained by using a facet-based model; and for a turbulent ship wake, it is produced by dealing with the wave energy loss rate due to turbulence with the width of turbulent wake closely following a moving ship. The volume scattering theory of foam or bubbles, by using the vector radiation transfer equation, is introduced to modify the traditional two-scale method, a special method for the EM scattering of a turbulent wake, which brings the scattering of ship wakes into better agreement with the real situation.     

Analysis of scattering by conducting objects covered with arbitrarily magnetised plasma using finite element-boundary integral-fast multipole algorithm

The electromagnetic (EM) scattering by conducting objects covered with arbitrarily magnetised plasma is computed using the hybrid vector finite element-boundary integral-fast multipole method (FE-BI-FMM). The relative permittivity tensor of arbitrarily magnetised plasma is described. The FE-BI-FMM formulation for scattering by three-dimensional (3D) conducting objects covered with arbitrarily magnetised plasma is derived in detail. The validity of FE-BI-FMM is verified by comparing numerical results with analytical values. The radar cross-sections (RCS) of conducting objects covered with magnetised plasmas are simulated and the effects of plasma parameters on RCS are analysed. Numerical results indicate that magnetised plasma cover layer is effective on reducing the back scattering if appropriate parameters of plasma are chosen.     

人工磁导体正交布阵的宽带低雷达截面反射屏

基于互补开口谐振单环 (complementary split ring resonator, CSRR) 的电磁特性, 设计了一种新型人工磁导体 (artificial magnetic conductor, AMC) 结构 CSRR-AMC. 通过与方形贴片人工磁导体的反射相位对比发现, 该结构在X极化和Y极化波垂直照射条件下可分别实现小型化和多同相反射频带. 基于此特性, 设计了一种仅由单一CSRR-AMC结构组成的宽带低雷达截面反射屏. 该设计将相邻CSRR-AMC单元正交化排布, 通过优化单元结构实现宽带相位对消, 降低后向散射能量. 测试结果表明, 样品在7.38–10.47 GHz 范围内后向RCS减缩量达到10 dB以上, 相对带宽达到34.6%, 为宽带低反射屏设计提供了新的方法. 关键词： 人工磁导体 相位对消 宽带 雷达截面减缩