超高速目标及在微动状态下的相对论性电磁散射研究

Special Relativity should be considered, when we study electromagnetic scattering from objects with high speed. Relativistic electromagnetic scattering models of different moving objects with different electric dimensions can be constructed, when we combine the Lorentz transformation and FDTD, MLFMM and so on. Based on those models, the relationship between scattering and velocity vector can be analyzed. By the Lorentz transformation of the pulse incident wave, relativistic transient scattering model can be constructed and the wide-band electromagnetic scattering properties are acquired. Then another relativistic electromagnetic scattering model is constructed by using relativistic moving boundary condition and FDTD method. Compared with numerical results of each other, these two models can be validated. Subsequently, two points are very important to the research of scattering properties of the flying aircraft with high speed in the near space. One is to develop an explicit and unconditionally stable FDTD method to compute the scattering from the object coated with radar absorbing materials and plasma sheath. The other is to study its relativistic electromagnetic scattering by combining with the Lorentz transformation. Finally, time domain relativistic scattered waves from the object with ultra-high-speed and Micro Motion can be simulated, when we combine the Lorentz transformation and FDTD transient scattering model of a vibrating or rotating body. In this project some contributions will be provided for the theory foundation of detecting objects with high speed.

研究超高速运动目标电磁散射时需考虑相对论理论，将洛伦兹变换分别与FDTD和MLFMM等方法结合建立不同电尺寸、不同类型运动目标（体或面目标）的相对论性电磁散射模型，研究运动目标散射与速度矢量的关系。为分析运动目标的宽频散射特性，可将入射脉冲波进行洛伦兹变换,建立运动目标的FDTD瞬态散射模型。当FDTD方法与考虑相对时空关系的运动边界条件结合时可另建一种相对论性电磁散射模型。这两种模型的结果能相互对比验证。应用于临近空间高速飞行器的相对论性电磁散射研究的要点是：1）结合洛伦兹变换，考虑其高速飞行时的相对论效应；2）发展显性无条件稳定FDTD方法，快速稳定求解等离子体包覆的涂覆绝热隐身材料目标。当模拟高速运动目标在振动或旋转状态下的相对论性电磁散射回波时，要将洛伦兹变换与微动（振动或旋转）目标的FDTD瞬态电磁散射模型结合。本项目的研究为雷达有效探测及识别高速运动目标提供电磁理论基础。

超高速目标的探测与识别离不开对其电磁散射特性的了解。为此，我们完成了三维超高速目标的相对论性电磁散射建模，获得了超高速目标独有的径向RCS分量，这是区别于静止目标或低速目标的重要散射特性。在目标的时谐相对论性散射场计算模型的基础上，结合Meahly近似方法可以快速求解其宽频带散射特性。为获得超高速目标的瞬态雷达回波，则根据目标的时谐相对论性散射场计算模型，先计算高速目标在每个频率点下的电磁散射，根据入射波带宽和目标的尺寸确定频率的采样点间隔，将这些频点下算得的散射场进行傅立叶逆变换后，再与入射波形在时域进行卷积，即能获得超高速目标的瞬态雷达回波。将涂覆目标放入我们搭建好的相对论性电磁散射模型中，即可获得涂覆吸波材料的超高速目标的相对论性电磁散射。该研究能为超高速目标的探测、跟踪与识别提供了电磁理论依据，为快速准确地探测超高速目标提供有力支撑。针对大场景中小目标的多尺度电磁问题，提出了改进的TO-FDTD快速算法。针对涂覆吸波薄层的多尺度电磁目标（从圆柱、任意多边形柱、到任意形状柱），我们分别提出与之相应的TO-FDTD方法实现加速计算。基于非常薄的石墨烯层的周期结构吸收器，开展了基于TO-FDTD方法的快速电磁计算研究。结合变换光学与FDTD方法(TO-FDTD)可以高效求解某些多尺度目标的电磁散射问题。针对随机粗糙面及其多目标复合电磁散射的复杂度高、计算时间较长的缺点，提出了一种基于标量积分方程的单源等效原理算法（SS-EPA）。为快速求解粗糙面宽带电磁散射问题，提出了一种结合Meahly近似和相位提取（PE）的混合方法，并进行特征基函数法（CBF）和自适应交叉近似（ACA）混合方法的加速计算。提出了使用深度卷积神经网络（CNN）实时反演随机粗糙面参数的方法。该研究对地海表面的参数反演、宽频带电磁散射特性、以及与对地海表面上目标的电磁散射提供了电磁理论。