空间碎片环境建模及其电磁散射特性研究

摘要

随着人类探空活动的不断深入，空间碎片不仅对航天器存在巨大威胁，而且碎片的增多还将导致空间轨道资源的进一步破坏。为了制定切实可行的碎片减缓措施，从而使空间资源得到更加有效地利用，空间碎片的电磁散射特性研究是一个十分重要的课题。
　　 本文从空间碎片的环境建模和椭球目标的尺度变换方法出发，结合尘埃等离子体理论、电离层基本特性以及空间碎片的分布特性，研究了空间背景下尘埃颗粒和危险碎片的电磁散射特性。主要工作如下：首先详细介绍了空间碎片预估模型和空间碎片密度的构造方法，推导了空间碎片长期和短期预估模型和平均空间密度。计算结果表明，空间碎片随着人类探空活动的增多而增多，碎片的密度在极区出现了峰值。其次，根据坐标的尺度变换理论详细推导了椭球目标的电磁散射解析解。考虑电磁波沿不同方向入射的情况，分别计算了理想导体椭球目标和介质椭球目标的散射特性。再次，在讨论了空间尘埃的充电模型及其电子屏蔽云的散射特性之后，详细推导了尘埃等离子体受粒子碰撞和尘埃充电影响下的介电常数和电导率，并且结合坐标的尺度变换理论研究了尘埃等离子体环境下危险碎片的散射特性。最后结合电离层准抛物模型，分析了背景电离层和不规则性电离层的电子密度剖面，研究了背景电离层中电波传播特性以及背景电离层中单个及多个碎片的散射特性，推导计算了电离层不规则性发生时空间碎片的散射特性；利用单次散射近似方法，根据碎片的空间分布研究了碎片密集区域处多个碎片的电磁散射特性。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 空间环境及碎片的雷达探测研究概况

1.2.2 空间目标散射特性研究概况

1.3 论文主要内容

第二章 空间碎片环境建模

2.1 空间碎片的来源和分类

2.2 空间碎片短期和长期估计模型

2.2.1 问题的假设和条件

2.2.2 碎片的演化机制

2.2.3 数值计算及分析

2.3 空间密度

2.3.1 空间密度的引入

2.3.2 空间密度函数的构造

2.3.3 轨道参数和空间分布

2.3.4 空间密度的简化及其数值计算

2.4 本章小结

第三章 椭球目标的电磁散射解析解

3.1 坐标的尺度变换方法

3.1.1 坐标变换关系

3.1.2 算符和电磁场量的变换关系

3.1.3 传播矢量的变换关系

3.1.4 能量密度和能流密度的变换关系

3.2 椭球目标的散射场

3.2.1 电磁波沿z轴入射

3.2.2 电磁波以任意角入射

3.3 数值计算及分析

3.3.1 理想导体椭球目标的散射特性

3.3.2 介质椭球目标的散射特性

3.3.3 椭圆盘和条状目标的散射特性

3.4 本章小结

第四章 空间尘埃及其背景下碎片的散射特性

4.1 尘埃颗粒充电模型

4.1.1 轨道限制电流收集方程

4.1.2 尘埃的充电

4.1.3 数值计算及分析

4.2 充电平衡下尘埃颗粒的电磁散射分析

4.2.1 尘埃颗粒模型的散射场

4.2.2 尘埃模型的截面分析

4.3 尘埃等离子体环境中的空间碎片

4.3.1 尘埃等离子体的介电常数和电导率

4.3.2 尘埃等离子体中碎片的散射场

4.3.3 数值计算及分析

4.4 本章小结

第五章 实际空间背景下碎片的散射特性

5.1 电离层电子密度模型

5.2 背景电离层中单个碎片的散射特性

5.2.1 分层媒质中的WKB方法

5.2.2 碎片的后向雷达散射截面

5.2.3 数值计算及分析

5.3 电离层不规则性与单个碎片的散射特性

5.3.1 电离层不规则性的散射特性

5.3.2 不规则性与碎片的Born近似

5.3.3 数值计算及分析

5.4 多个碎片的电磁散射特性

5.4.1 问题的提出与几点假设

5.4.2 多个碎片的单次散射近似

5.4.3 数值计算及分析

5.5 本章小结

结束语

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间参加科研项目与发表论文情况