[論文レビュー] Radar Cross Section of Moving Objects

H. Gholizade|arXiv (Cornell University)|Jun 19, 2013

Electromagnetic Scattering and Analysis参考文献 18被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、相対論的および非相対論的場の変換を分析することにより、物体のレーダ反射断面積（RCS）に及ぼす運動（一定速度および加速度を含む）の影響を調査する。運動する標的は、ローレンツ変換による電場および磁場の変更（一定速度）および電子の慣性による有効電流密度（加速運動）を示し、特に球体のレイリー散乱領域においてRCSに測定可能な変化を引き起こすことが示された。

ABSTRACT

I investigate the effects of movement on radar cross section calculations. The results show that relativistic effects (the constant velocity case) can change the RCS of moving targets by changing the incident plane wave field vectors. As in the Doppler effect, the changes in the fields are proportional to $\frac{v}{c}$. For accelerated objects, using the Newtonian equations of motion yields an effective electric field (or effective current density) on the object due to the finite mass of the conducting electrons. The results indicate that the magnetic moment of an accelerated object is different from that of an un-accelerated object, and this difference can change the RCS of the object. Results for moving sphere and non-uniformly rotating sphere are given and compared with static ( extbf{v}=0) case.

研究の動機と目的

• 特殊相対性理論を用いて、一定速度運動がレーダ反射断面積（RCS）に与える影響を分析すること。
• 特にスチュアート＝トールマン効果を通じて、加速度による非相対論的効果がRCSに与える影響を調査すること。
• 運動に起因する有効電場および磁気モーメントの変化が散乱断面積に与える影響を定量化すること。
• v/cの摂動展開を用いて、均一および非均一回転する球体のRCSを静的状態と比較すること。
• RCS計算において、ドップラー周波数シフトや他の運動学的効果とは別に、場のベクトルの変化を分離すること。

提案手法

• ローレンツ変換を電磁場テンソルに適用し、v/cの項まで保持することで、移動フレームにおける変換されたEおよびB場を導出する。
• 場強度テンソルF^μνを用い、ローレンツブーストによる変換を計算することで、入射平面波場に対する相対論的補正を求める。
• ニュートン力学を用いて加速運動をモデル化し、導電性電子に働く慣性力から有効電場および修正された電流密度を導出する。
• スチュアート＝トールマン効果を用いて、非一様に回転する球体の時間依存磁気モーメントを計算し、角加速度に依存することを示す。
• 時間変動する磁気双極子放射の遠方近似を用いて、レイリー領域における微分散乱断面積を導出する。
• RCSを摂動級数σ = σ₀(1 + δ)として表現し、δはv/cに比例するようにすることで、運動に起因する補正を分離する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 一定速度運動による相対論的ローレンツ変換は、運動する標的の入射電磁場ベクトルにどのような影響を及ぼし、その変化のオーダーはどの程度か？
• RQ2 加速運動が導電体の有効電流密度および磁気モーメントに与える影響は何か？ そして、これによりRCSにどのような影響が生じるか？
• RQ3 一定速度および非一様回転運動下での球体の微分散乱断面積は、静的状態と比べてどのように異なるか？
• RQ4 相対論的場の変換と非相対論的電子の慣性効果の両方が、測定可能なRCSの変化に寄与する可能性はあり、レイリー散乱領域でもその効果は検出可能か？
• RQ5 非一様に回転する球体の場合、散乱断面積が入射場強度に依存するのはなぜか？ これは散乱過程における非線形性を何を示唆するか？

主な発見

• 一定速度運動に起因する相対論的効果は、入射平面波のEおよびB場ベクトルをv/cに比例する量で変更し、相対論的ドップラー効果と整合的である。
• 均一に移動する球体の場合、変換された場のベクトルにより微分RCSが修正され、O(v/c)の補正が現れるが、新たな双極子または磁気モーメントの寄与は生じない。
• 非一様に回転する球体の場合、スチュアート＝トールマン効果により電子に有効電場が誘発され、角加速度に比例する時間変動する磁気モーメントが生じる。
• その結果生じる時間依存磁気モーメントは放射を生成し、微分散乱断面積を修正する。この断面積は磁気モーメントの2階時間微分に比例する：dσ/dΩ ∝ |∂²m/∂t²|²。
• 非一様に回転する球体では、微分RCSが入射場強度E₀に依存するようになる。これは、静的状態または一様に回転する場合に見られない非線形散乱挙動を示している。
• 回転する球体の全微分RCSには2つの項が含まれる：1つは電気双極子散乱に起因する項（k⁴a⁶に比例）と、もう1つは磁気双極子放射に起因する項（(μ₀ ∂²m/∂t²)²に比例）であり、両者とも静的状態とは異なる明確な角度依存性を示す。