空天背景微波频段超高速运动复合目标的RCS特性研究

In order to distinguish and detect the moving bodies with an ultra-high velocity, a novel moving boundary condition finite-difference time-domain method is proposed to analyze electromagnetic scattering fields from moving complex shape bodies. Based on the conventional finite-difference time-domain method, we discuss the electromagnetic scattering characteristics of complex bodies with an ultra-high velocity by applying overlapping discretization of dual coordinate system and the Lorentz transformation. These key techniques are realized including a total-field scattering-field boundary condition in moving coordinate system and the time-frequency domain transformation formula to post-process the time-domain data. By analyzing the laws of electromagnetic scattering of moving bodies affected by the moving velocity of complex bodies, we present the spatial distributions of radar echo waves varied with the moving velocity and the mechanism of modulating the incident wave by the moving complex bodies. The results are able to clarify the relationship of scattering properties of between static bodies and moving bodies. The proposed project provides a powerful theoretical tools and application value for ultra-high-speed movement of the complex target detection, distinguishing and tracking.

为了探测和识别超高速运动状态下不同类型的复合目标，本文基于运动边界条件时域有限差分方法研究了超高速运动状态下复合目标的电磁散射特性。已有的研究大多是讨论导体材料运动目标的散射场，但对于由多种材料构成的复合目标的运动散射特性缺乏系统的研究。本项目基于常规的时域有限差分方法，在双坐标系下采用重叠离散方式和洛伦兹变换等数学手段，研究超高速运动下复合目标的雷达散射特性问题。本项目将采用运动坐标系下总场散射场边界条件和适用于时域散射数据后处理的快速时频域转换算法等关键技术。本项目通过分析目标散射场随运动速度的空间分布规律入手，研究超高速运动复杂目标的雷达回波特征信息的空间分布规律问题和超高速运动复合目标如何调制入射电磁波的机理问题。研究成果将有利于弄清静止目标电磁散射特性和超高速运动状态下复合目标电磁散射特性之间的相互关系，为超高速运动状态下复合目标的探测、检测和跟踪提供了有力的理论工具。

在深空背景下，超高速飞行器的飞行速度越来越快。如何获得或掌握高速飞行器的电磁散射特征就成了当前研究的热点问题。为了处理这一类问题，本项目首次提出了洛伦兹时域有限差分算法。基于洛伦兹方法，详细的推导了在静止坐标系和运动坐标系之间的空间间隔、时间间隔、电磁场量和方位角的转换公式。根据麦克斯韦方程组的协变性和平面波的相位不变性，给出了直接在运动坐标系引入入射平面波振幅和频率的计算公式，减少了一次洛伦兹变换。由于在运动坐标系下运动目标可以看成是静止的，所以在运动坐标系下可以利用常规时域有限差分方法来计算目标的散射场。然后，利用洛伦兹变换将运动坐标系下的散射场变换到静止坐标系下，最终得到运动目标的散射场。利用洛伦兹时域有限差分方法，计算了运动电偶极子、典型金属或介质运动目标和复杂形状金属目标的散射场。通过与运动电偶极子辐射场解析解的对比，验证了该方法的正确性和有效性。通过对比运动状态下和静止状态下的散射场可知，运动目标的散射场在不同散射方位上都受到了调制，并且在不同的方位上，调制的程度不同，与目标的运动方向和速度有关。例如，在一般情况下，沿着运动方向散射场的振幅增强和频率升高；逆着运动方向散射场的振幅减弱和频率降低。最后，利用洛伦兹时域有限差分方法分析计算了类杏仁体和类四棱锥两种复杂形状运动金属目标的散射场。通过对高速运动目标散射特性的分析和计算，为探测、鉴别和跟踪高速运动目标提供了重要的理论方法和判断依据。