【摘 要】
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临近空间高超声速飞行器以10~25马赫的高超声速在大气层中飞行时,飞行器周围的气体与飞行器表面发生剧烈的摩擦,产生了包覆于飞行器表面的等离子鞘套。等离子鞘套内含有大量的自由电子,当雷达波入射等离子鞘套后,会对不同频段的雷达波产生不同程度的幅度和相位影响,还会造成雷达波极化信息丢失,极化旋向发生反转,造成地面站的雷达接收天线出现极化失配现象,对高超声速飞行器雷达探测的有效性和准确性产生了极大的干扰。
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临近空间高超声速飞行器以10~25马赫的高超声速在大气层中飞行时,飞行器周围的气体与飞行器表面发生剧烈的摩擦,产生了包覆于飞行器表面的等离子鞘套。等离子鞘套内含有大量的自由电子,当雷达波入射等离子鞘套后,会对不同频段的雷达波产生不同程度的幅度和相位影响,还会造成雷达波极化信息丢失,极化旋向发生反转,造成地面站的雷达接收天线出现极化失配现象,对高超声速飞行器雷达探测的有效性和准确性产生了极大的干扰。在现实情况下,由于飞行器与地面站的相对位置等原因,雷达波与被探测目标之间大部分情况下是有角度的,因此本文主要研究在斜入射情况下,等离子鞘套对不同极化电磁波的反射和吸收特性,并在此基础上,分析鞘套对雷达波的时延(距离探测)和多普勒(速度探测)的影响。本文建立了等离子鞘套包覆金属板的分层计算模型,在ISMM(改进后的散射矩阵)法的基础上,推导了斜入射ISMM方法,对斜入射ISMM方法的透射系数进行了修正,并采用射线追踪法对其进行了验证。在此基础上,结合电子密度的分布模型,构造了电子密度随着时间正弦波动的动态等离子体。利用该模型,分别仿真并分析了静态鞘套和动态鞘套的参数变化对电磁波的反射特性和吸收特性的影响,在此基础上,构造线性调频信号雷达波,将雷达波作用于建立的模型,并结合模糊函数,得到等离子鞘套对雷达波的时延和多普勒频移影响规律。研究发现,等离子鞘套对不同极化的雷达波影响规律既存在相似性,又有不同之处。在反射特性中,存在凹陷区域,在凹陷区域内,反射波被大量衰减,其相位发生剧烈的跳变,引起很高的群时延,在圆极化下,还存在极化反转现象。在吸收特性中,存在凸起区域,此时雷达波被鞘套大量的吸收。随着电子密度的正弦波动,凹陷区域及凸起区域的位置也相应存在正弦波动,同时发现了在某些参数下,存在一个匹配的最佳值,此时对反射波的衰减很大。还发现了入射角度,电磁波频率以及电子密度对凹陷区域的位置有很大的影响,而碰撞频率和鞘套厚度对凹陷区域的位置影响并不明显,根据凹陷区域的特性以及产生机理,结合全反射现象,提出了使用全反射角来标定凹陷区域的位置以及圆极化下极化发生反转的位置。当雷达波的频率处在凹陷区域内时,所引起的时延和多普勒波动很大,且不同极化的雷达波,其波动幅度表现不同。此外,脉冲宽度越大,造成的时延越高,但是对应的多普勒频移更小,而带宽越大,对应的时延越低,但引起高时延的频带宽度更宽,多普勒频移更大。
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