冰晶中空气及多次散射效应对雷达探测的影响

雷达反射率因子受云中冰晶粒子空气含量以及多次散射效应的影响.首先利用Debye理论计算不同空气含量下冰晶粒子的等效介电常数,之后利用基于矩量法的FEKO软件计算了不同空气含量下的RCS,结果表明:后向散射能量会随空气含量的增大而减小.针对云中粒子多次散射对雷达探测的影响,首先利用FEKO软件研究六种相同的非球形粒子的RCS随间距的变化关系,结果表明:最小互散射值均大于不考虑多次散射效应时的RCS;为了研究粒子的空间位置对散射截面的影响,利用HFSS软件研究了两个球形粒子的散射情况,结果表明:RCS增大或减小与粒子间相对位置有关;最后利用FEKO软件计算了多个非球形粒子组成的粒子群时的互散射问题对雷达后向散射截面的影响,结果表明:多次散射效应的RCS结果小于不考虑互散射的结果,因此多次散射增大或者减少后向散射的能量主要取决于各个粒子散射回波的相位.     

基于时域有限差分法的冰晶粒子群多次散射特性

为了精确地利用雷达回波信号反演降雪粒子的微观物理参数,建立满足Gamma谱分布的两类非球形降雪粒子群模型,利用XFDTD软件计算了这两类非球形冰晶粒子群模型在94 GHz频率下的雷达散射截面,分别为-37.690 0和-40.301 0dB·m~2,与简单叠加计算的结果对比后发现绝对误差分别达到0.334 4和0.733 7 dB.在冰水含量一定时,满足Gamma谱分布的两类非球形降雪粒子群模型在分别考虑多次散射和单次散射下雷达反射率因子的绝对误差分别为0.334 6和0.733 7 dB,因此粒子群的多次散射效应在实际气象探测中必须加以考虑.     

偏振雷达参量对融化层回波的探测敏感性分析

融化层特征的研究及其微物理性质的识别在云物理降水研究、人工影响天气、航空飞行以及积云参数化方案修订等都有重要意义。利用南京信息工程大学C波段双偏振雷达(简称为NUIST C-Pol雷达)的回波强度Z,差分反射率因子ZDR、差分传播相位常数KDP、正交相关系数ρHV,研究融化层回波(即零度层亮带,简称亮带)敏感性及其对应水凝物微物理特征。根据NUIST C-Pol雷达2014年实测数据,分析亮带的偏振参数探测特性时发现相关系数最敏感,它比其他参量更早出现亮带特征;其次是差分反射率因子、差分传播相位常数,最后才在回波强度上看到明显的亮带。进一步地,探讨了亮带中相关系数的探测敏感性及其数值减小的机理。研究结果对于用双偏振雷达参数研究云降水物理特性具有理论和应用价值。     

94 GHz频率下冰晶粒子多次散射特性的研究

为了认识冰晶粒子群在94 GHz频率下的散射特性,利用互散射、相干Mie散射以及简单叠加法进行研究.结果表明,这3种方法得到的粒子群散射结果明显不同,目前的雷达气象方程使用简单叠加法计算粒子群的散射时不能精确地反演云的微物理特征,如冰水含量及有效半径等.利用3种方法比较了不同位置、不同复折射指数、不同尺度参数以及不同数量的粒子群散射强度特性后发现云的多次散射特性不能被忽略.     

雷暴云中冰晶粒子对电磁波的极化作用

为了研究雷暴云中冰晶粒子在带电情况下对电磁波传播的影响,利用冰晶粒子的介电常数模型和瑞利近似条件下带电粒子对电磁波的散射模型,推导了电磁波经过雷暴云中冰晶粒子区域时产生极化的计算模型,并进行了仿真和分析。结果表明:在传播过程中,电磁波的极化会受到冰晶粒子所带电荷的影响;冰晶粒子所带电荷量越多,对电磁波极化影响越大;冰粒表面电荷分布角越小,对电磁波的极化影响也越严重;电磁波频率和冰晶浓度越高,对电磁波造成的极化作用也越大,影响电磁波的传输质量。因此,在电磁波经过雷暴云时必须考虑带电冰晶粒子对其传播的影响。     

云雾场多尺度水滴和冰晶粒子的脉冲激光后向散射特性

为研究云层中冰晶和水滴粒子的尺度、散射等光学特性对飞行结冰的影响，该文基于联合散射理论，建立多尺度水滴和冰晶粒子的激光后向散射模型，分析了水滴与冰晶粒子的光学特性对后向散射的影响。结合工程应用模拟云雾场实验环境，测试不同粒子浓度下的1.064μm和0.532μm激光后向散射。结果表明，随着云粒子浓度增加，云层后向散射发光强度增大，实测数据与理论数据最大误差不高于7%。0.532μm波长激光的后向散射功率明显高于1.064μm波长激光，云雾场后向散射与粒子浓度几乎呈线性增长，并且冰云的后向散射系数普遍高于水云，差异可达到2～30倍。     

角反射器表面粗糙度对单站RCS的影响

研究了角反射器表面粗糙度对其雷达散射截面的影响.角反射器的粗糙表面由随机高斯面模拟,散射计算采用全波数值算法完成.计算结果与实测数据吻合,对实验数据进行了解释,验证了计算模型.通过多组计算结果得出结论,随着粗糙面均方根高度的增加和相关长度的减小,角反射器的非主散射区雷达横截面(RCS)均值提高,到达一定数值后角反射器的主散射区RCS也将受到显著影响.研究结论对角反射器用于RCS标定具有重要应用意义.     

基于蒸发波导的气溶胶散射特性

利用单球形粒子和双层球粒子的散射模型对大气气溶胶粒子的散射特性进行了分析,对双层球的不同内层折射率和不同粒子半径条件下粒子的散射特性进行了计算,并用两种模型对不同大气湿度情况下海洋气溶胶散射进行了分析和仿真.结果表明:采用双层球模型计算的前向散射强度比用单层球模型进行计算的要大,而后向散射要弱;随着大气湿度的增加,气溶胶粒子半径变大,后向散射变强;用湖面上大气气溶胶粒子散射与仿真的拟海洋气溶胶散射的消光系数比较,实测消光系数值与双层球模型计算的消光系数值更接近.     

MLFMA用于不连续特征多频散射特性研究

对隐身飞行器、坦克等武器系统,缝隙等不连续特征对RCS的减缩和控制具有重要影响.基于混合场积分方程,开发出了多层快速多极子算法程序,通过将金属球双站RCS级数解、三缝隙实测曲线分别与多层快速多极子算法(Multilevel Fast Multipole Algorithm,MLFMA)计算曲线进行对比,验证了程序的正确性,说明其可用于飞行器表面不连续特征研究.采用数值方法详细研究了单缝隙、三缝隙电磁散射与入射电磁波频率的变化关系.数值计算结果表明,入射电磁波频率增加时,对单缝隙,电磁散射增强,雷达散射截面算术均值增加,其中掠入射角域内的均值增加最为明显;同时单缝隙的散射曲线相似、次波峰向外偏移;对三缝隙,除具有单缝隙的特性外,还表现为相互耦合性、曲线振荡增强,通过分析认为3个单缝隙散射不同相位的相互叠加导致了其散射的耦合性,入射频率增加时,散射叠加的峰值位置发生相应变化,表现为耦合作用和振荡作用更加明显.该结论可以用来进行飞行器表面的缝隙散射的减缩设计,从而有效提高飞行器的隐身性能.     

基于RCS的风电机对高频雷达信号干扰特性分析

基于高频雷达工作机理,确定风电机对高频雷达的干扰水平采用风电机雷达散射截面(RCS,Radar Cross Section)为参量进行评估。以实际高频雷达工作频段(3~30 MHz)进行研究,根据Hallen方法建立了风电机RCS计算用线模型,并采用矩量法对风电机线模型远场散射场进行求解。对不同偏航角及旋转角下的风电机姿态进行建模,分别计算风电机各姿态下的RCS值,从而获取风电机对高频雷达信号的干扰特征。研究结果表明,风电机RCS可以作为风电机对高频雷达干扰的评价参量,风电机在不同偏航角及不同旋转角下干扰水平会发生较大变化,在高频雷达频率为30 MHz时,其干扰最大值为51.01dBm2.     

抗冻蛋白诱导冰晶界面层融化的分子动力学模拟

在低温环境中生存的某些生物体内,有可以保护生物体避免冰冻带来伤害的特殊功能的蛋白质,这类蛋白质被称为抗冻蛋白.抗冻蛋白可以非依数性降低冰晶的生长点温度.利用分子动力学模拟的方法,通过计算体系总能量和氢键数目的变化,分析在冰水界面处吸附结合的黄粉虫抗冻蛋白(TmAFP)和鱼类的冬碟(wfAFP)抗冻蛋白对冰晶界面结构的影响.研究结果显示,在冰晶熔点与生长点的温度区间内,吸附到冰晶表面上的黄粉虫抗冻蛋白和冬碟抗冻蛋白,可以影响冰晶界面层的稳定性,使固相水分子向液相水分子转变,诱导冰晶的界面层融化.     

火箭羽流场电子密度及其RCS数值分析

在FLUENT+GAMBIT软件环境下,对不同高度下火箭羽流场结构及其电子密度分布进行了数值模拟,给出火箭羽流电子密度分布随高度的变化规律,并以此为基础构建了火箭羽流的HF波段电磁散射模型,对比计算了HF(高频)波段下火箭箭体、火箭箭体+羽流的雷达散射截面(RCS).结果显示:在HF波段的大部分入射角范围内,羽流会不同程度增加火箭的RCS.     

基于改进型CLEAN算法三维成像的雷达散射截面积反演

基于三维成像的雷达散射截面积(radar cross section,RCS)测量可以获得目标散射系数的三维空间分布,与一维和二维RCS测量相比,它具有更好的空间分辨能力.但是,在基于成像的RCS测量中,散射中心的提取至关重要,它在很大程度上决定着RCS的反演精度.采用CLEAN算法完成对目标散射中心的提取,有效抑制了图像的三维旁瓣,并针对CLEAN算法存在估计误差的迭代累加效应,设计了一种可以更新估计的改进的相干CLEAN算法,进一步提高了RCS的反演精度.用MATLAB和FEKO测量仿真,结果表明改进型CLEAN算法能更有效地提取散射中心,且提高了RCS的反演精度.     

锯齿化进气道口面电磁散射影响分析

为研究锯齿化对电磁散射的影响,以两种飞翼布局为基础,建立了直线型、锯齿化进气道口面飞行器模型;采用物理光学法,数值计算了各模型在不同状态下RCS曲线,研究了锯齿化的散射分布影响及RCS减缩值的俯仰角、频率响应特性。结果表明：锯齿化进气道口面可有效降低头向、后向散射波峰,并影响其他角域波峰分布情况;俯仰角增大时,锯齿化RCS减缩值呈震荡递减趋势,不同布局不同角域上表现各异,幅值影响为10~30 dB;频率增加时,锯齿化RCS减缩值呈震荡变化,幅值影响为5~25 dB之间;锯齿化对不同布局的电磁散射影响不同,其中布局A头向30°角域的隐身性能提高最为明显,减缩值为20~30 dB。     

基于P_n近似方法的消防水幕辐射传输模拟分析

水幕系统对火焰辐射衰减问题包含了气体、水滴粒子、不完全燃烧产生的炭黑粒子等吸收、散射以及液滴蒸发吸热等过程。针对此问题,本文首先采用Mie散射理论与有效介质理论相结合,建立了水滴粒子以及炭黑掺杂混合液滴的吸收散射特性参数计算模型;在此基础上,考虑燃气辐射吸收作用,采用球谐函数法构造了多层半透明水幕介质的辐射传输计算模型。利用该模型分析了载液量、液滴粒径、水滴蒸发、粒子混合等因素对辐射衰减能力的影响。     

基于微物理属性的新疆层状云随高度变化规律

针对干旱半干旱的新疆地区,利用CloudSat卫星资料研究和分析了2009—2010年层云与层积云四季的云滴冰晶有效粒子半径、数浓度及含水量高、中、低数量级的垂直分布频率,为实际播撒作业提供参考依据.结果表明春、夏、秋、冬四个季节中层云与层积云冰晶有效粒子半径的中值段出现频率最高,特别是层云.层云冰晶有效粒子半径在垂直高度上呈明显分层现象,而层积云冰晶有效粒子半径分层现象不明显.层云中冰粒子数浓度中的低值段粒子出现频率大于层积云(冬季除外),且层云和层积云冰粒子数浓度高值出现的云层位置有明显不同.层云与层积云冰水含量低值最多,低值段粒子分布在整个云层,而高值段随季节不同在层云和层积云中的分布位置也不同.     

基于一维散射中心模型的RCS频率全角度外推

目标RCS频率外推是减小目标RCS数据存储的有效手段之一。利用FEKO电磁仿真软件得到目标回波数据,结合经典谱估计算法,提出了一种基于GTD散射中心模型的目标RCS频率全角度外推方法。以弹头目标为例,首先利用1～2GHz频率后向电磁散射数据,提取GTD散射中心模型参数;其次利用RCS频率全角度外推方法,实现了弹头目标在3GHz、4GHz频率上的RCS全角度外推;最后通过将外推数据与FEKO仿真数据进行对比,验证了外推方法的准确性与可靠性。仿真实验表明,外推结果与FEKO的仿真结果在整体趋势及强散射点对应的位置上具有较高的吻合度,可有效描述雷达目标的散射特性。     

火焰稳定器外环修形对发动机排气系统雷达散射特性的影响

为了缩减航空发动机排气系统的雷达散射截面(radar cross section, RCS)设计了两种火焰稳定器外环修形结构,利用高频计算方法弹跳射线法获取了火焰稳定器外环修形对发动机排气系统在X波段10 GHz频点下雷达散射特性的影响。结果表明：(1)修形结构改变了照射在火焰稳定器外环的雷达波的散射方向,降低了火焰稳定器外环的热点强度,消除了火焰稳定器外环的角反射器特征。(2)在水平探测面-26°～-16°与16°～26°范围内,火焰稳定器外环修形对排气系统的RCS具有明显的缩减效果,减小修形角度,会提升对排气系统RCS的缩减效果。(3)随着俯仰角的增加,火焰稳定器外环修形对发动机排气系统的RCS缩减效果有所提升,对排气系统水平极化与垂直极化RCS均值的缩减效果最大可达27.5%与37.4%。     

微波辐射计热定标源的研究与计算

描述了微波辐射计热定标源在本实验室的最新研究结果,给出了一种实验热定标源的结构和工作原理,并利用密集分布的散射粒子矢量辐射传输（DVRT）模型推导得出了一种可以计及隔离层多次散射效应影响的亮温计算迭代公式。数值计算证明该亮温计算公式是正确的,可以作为辐射计热定标源的一种更具普遍性的计算方法。     

FE-BI分析等离子体覆盖导体方柱的宽带RCS

文章将有限元—边界积分法(FE-BI)与渐进波形估计技术(AWE)相结合应用到宽带电磁散射特性分析中.首先应用该理论计算导体方柱的宽带雷达散射界面(RCS)并与FE-BI逐点计算进行了比较,接着计算了导体表面覆盖不同密度、不同碰撞频率的等离子体的宽带RCS.计算结果表明,FE-BI结合AWE技术比有限元逐点计算省时,且...