CN103902818A - 一种随机粗糙海面上的运动目标电磁干扰分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种随机粗糙海面上的运动目标电磁干扰分析方法，其特征在于：步骤1：分层计算随机粗糙海面的电磁散射；步骤2：采用计算电磁学方法，并配置运动边界条件，计算运动目标与分层随机粗糙海面的复合电磁辐射；步骤3：计算分层随机粗糙海面与上方目标的复合电磁辐射。

Description

一种随机粗糙海面上的运动目标电磁干扰分析方法

技术领域

本发明涉及一种随机粗糙海面上的运动目标电磁干扰分析方法。

背景技术

目前对随机粗糙背景下的复杂运动目标电磁环境的预测分析往往是采用简单的把各子目标的电磁环境进行叠加得到。由于环境的随机扰动作用，各目标之间的相对位置是不确定的；由于时空复杂性的影响，目标的组成在不同时刻也表现出不确定性，在这种现实背景下，上述传统分析方法必然存在较大误差。

目前对电磁干扰的研究还主要集中的设备级或系统级，对复杂目标的电磁干扰（Electromagnetic Interference，EMI）的研究通常采用四级筛选的方法，即分幅度筛选、频率筛选、详细分析和性能分析四级筛选。这种处理虽然能在一定程度上对复杂系统EMI预测分析起到降低分析复杂度的作用，但对系统内具体的EMI情况，在分析精度和处理水平上都显得不足，尤其是对复杂系统与环境之间的相互作用等，分析结果与实际特性相差较大。

其他的计算三维电磁场的主要方法有：逐次逼近解法，在异常体电导率与背景电导率对比度较高时发散，适用范围很窄；体积分方程的直接解法，计算结果准确，但需进行直接的大型复矩阵求逆运算，因而计算速度慢，所需内存量大，不适用于计算大尺度异常体的散射场；系统迭代方法，较逐次逼近解法收敛性好，但用于大尺度异常体在高电导率对比情况下也发散；局域非线性近似和线性近似，都是近似算法，无需迭代，具有所需内存量小、速度快的优点，但在异常体尺寸较大和高电导率对比情况下精度降低，在改变发射源的位置时，采用拟线性近似需重新计算张量因子，降低了计算效率。

目前电磁散射研究的目标往往是不动的，而实际中，目标却往往是运动着的。在这方面的研究不多，一种方法是先给出运动目标在不同时刻的运动姿态，然后求出目标静止时不同姿态下的雷达散射截面，再通过运动姿态随时间的变化将目标的运动和雷达散射截面的变化联系起来，构成一个雷达散射截面的时间序列，这种方法对由于没有考虑相对论效应，对高速运动目标并不适用。另一种方法是用FDTD结合相对边界条件计算了高速运动的无限大导体表面的电磁散射，但由于其相对边界条件是基于反射模型的，只能计算运动的像无限大导体，表面目标这样的一维问题的电磁散射，而不能求解更普遍的三维运动目标的电磁散射。对随机粗糙海面背景下的运动目标电磁散射特性分析是目前亟需解决的难点问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种随机粗糙海面上的运动目标电磁干扰分析方法，能够有效解决随机粗糙海面上运动目标电磁干扰模型建模精度差的问题，能够准确实现随机粗糙海面上的运动目标电磁干扰分析。

实现本发明目的技术方案：

一种随机粗糙海面上的运动目标电磁干扰分析方法，其特征在于：

步骤1：分层计算随机粗糙海面的电磁散射；

步骤2：采用计算电磁学方法，并配置运动边界条件，计算运动目标与分层随机粗糙海面的复合电磁辐射；

步骤3：计算分层随机粗糙海面与上方目标的复合电磁辐射。

步骤1中，分层计算随机粗糙海面的电磁散射通过如下方法实现，

步骤1.1：根据随机粗糙海面的实际情况进行分层；

步骤1.2：建立各层电磁散射方程，并综合计算结果为分层随机粗糙海面电磁散射矩阵；

步骤1.3：做矩阵分解运算，分别计算电磁场在不同方向上产生的电流贡献；

步骤1.4：迭代计算不同方向电流作用产生的散射场；

步骤1.5：综合计算结果，得到总的散射场。

步骤2中，通过如下方法计算运动目标与分层随机粗糙海面的复合电磁辐射，

步骤2.1：按照目标运动的区域将计算的区域划分为总场区和散射场区；

步骤2.2：计算入射场，在总场边界引入入射波；

步骤2.3：确定目标运动过程中在各计算时间步内媒介分界面的位置；

步骤2.4：在分界面处考虑目标的运动情况，引入相对边界条件：

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\→}{n}\×(E_2-E_1)-(\stackrel{\→}{n}\·\stackrel{\→}{v})(B_2-B_1)=0\\ \stackrel{\→}{n}\·(B_2-B_1)=0\\ \stackrel{\→}{n}\·(D_2-D_1)={\mathrm{\ρ}}_s\\ \stackrel{\→}{n}\×(H_2-H_1)+(\stackrel{\→}{n}\·\stackrel{\→}{v})(D_2-D_1)=J_s\end{array}\right.$

式中：E₁、E₂为两个区域的电场强度；B₁、B₂为两个区域的磁通密度；H₁、H₂为两区域的电场强度；D₁、D₂为两区域的电通密度；ρ_s为电荷密度；J_s为电流密度；

步骤2.5：采用数值算法求出目标运动过程中的散射场。

步骤3中，通过如下方法计算分层随机粗糙海面与上方目标的复合电磁辐射，

步骤3.1：将复合电磁散射模型划分为MOM区域和KA区域，其中，将目标划分到MOM区域，粗糙海面划分到KA区域；

步骤3.2：确定目标表面感应电流，用脉冲基函数f_m展开为：

$J_M=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_m{f}_m$

步骤3.3：确定粗糙海面表面感应电流，用脉冲基函数f_k展开为：

$J_K=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\β}}_k{f}_k$

步骤3.4：考虑到粗糙海面与上方目标的耦合作用，此时：

${\mathrm{\β}}_k=2\stackrel{\→}{n}\×H_i\left(r_k\right)\·\stackrel{\→}{z}+2\stackrel{\→}{n}\×L^h\left(\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_m{f}_m\right)\·\stackrel{\→}{z}$

式中，L^h表示磁场算子；

同时考虑MOM区域和KA区域，及粗糙海面与上方目标之间耦合作用对电磁散射的影响，得到电磁散射方程为：

$\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_n\stackrel{\→}{z}\·[L^e\left(f_n\right)+2\stackrel{\→}{n}\×L^h\left(f_n\right)\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\stackrel{\→}{z}\·L^e\left(f_k\right)]=-E_i-\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\stackrel{\→}{z}\·[2\stackrel{\→}{n}\×H_i\left(r_k\right)\·\stackrel{\→}{z}{L}^e\left(f_k\right)]$

式中，L表示电磁场算子，H表示磁场强度；

步骤3.5：求解方程，应用Stratton-Chu公式求解远区散射场：

$E^s=\mathrm{j\ω\μ}(\stackrel{=}{I}+\frac{1}{k^2}\▿\▿)\×\∫\∫\frac{e^{\left(\mathrm{jk}\right|r-r^{\′}\left|\right)}}{4\mathrm{\π}|r-r^{\′}|}{\mathrm{Jds}}^{\′};$

式中，L表示电磁场算子，H表示磁场强度，μ为磁导率。

步骤3中，还可以通过如下方法计算分层随机粗糙海面与上方目标的复合电磁辐射，

步骤3.1，：定义邻近距离；

步骤3.2，：按照计算过程中源点与场点的距离划分强作用组和弱作用组；

步骤3.3，：选择积分路径；

步骤3.4，：选择谱积分函数；

步骤3.5，：分别计算强作用组和弱作用组贡献，综合两者结果得到总的电磁散射。

本发明具有的有益效果：

本发明要针对随机粗糙海面上运动目标电磁干扰模型建模精度差的问题，通过对随机粗糙海面与目标的复合电磁散射特性和分层随机粗糙海面的电磁散射计算方法，实现对分层随机粗糙海面与上方运动目标的复合电磁散射的准确分析预测。

不同区域的散射特性都对总的电磁散射造成影响，不能当作单一区域进行处理。对分层粗糙海面电磁散射的分析，本发明通过采用矩阵分析，分解确定不同区域，不同方向上的散射场，再综合计算的方法进行。

同时，本发明采用计算电磁学方法计算分析分层随机粗糙海面与运动目标的复合电磁散射。考虑目标的运动性，使得目标对电磁散射产生影响，对回波信号产生调制作用，为分析复杂目标的运动性对电磁散射的影响，本发明采用计算电磁学方法，并配置运动边界条件对其进行分析。

本发明对随机粗糙海面与上方目标复合电磁散射的处理主要采用分区域的方式进行。本发明将目标与背景的散射分开进行相互分析，当粒子尺寸与粗糙度及波长相比拟时，将目标的散射和随机粗糙海面的散射合并处理，考虑目标与背景之间的相互耦合作用。

本发明在电磁散射分析中，充分考虑到随机面的分层性，目标的运动性，大大提高了本发明分析方法与实际问题的贴近度。本发明在分析复杂目标对电磁散射的影响时，综合考虑了运动目标和随机粗糙海面的相互耦合作用，通过采用MOM和KA的混合算法对复合电磁散射进行分析，有效提高了计算分析精度。

附图说明

图1为分层随机粗糙海面电磁散射示意图；

图2为分层随机粗糙海面电磁散射方法分析流程图；

图3为配置运动边界条件流程图；

图4为随机粗糙海面与上方目标复合电磁散射影响分析流程；

图5为电磁散射快速计算流程图。

具体实施方式

步骤1：如图2所示，分层计算随机粗糙海面的电磁散射；

步骤1.1：根据分层随机粗糙海面的实际情况分为如图l所示的各层；

步骤1.2：建立各层电磁散射方程，并综合计算结果为分层随机粗糙海面电磁散射矩阵：

ZI=V

                                    (1)

其中，I是电磁散射及相关计算组成的矩阵，V是入射电磁场矩阵，Z是相关计算系数矩阵；

步骤1.3：做矩阵分解运算，分别计算电磁场在不同方向上产生的电流贡献；

步骤1.4：迭代计算不同方向电流作用产生的散射场；

步骤1.5：综合计算结果，得到总的散射场。

步骤2：采用计算电磁学方法，并配置运动边界条件，计算运动目标与分层随机粗糙海面的复合电磁辐射；对运动目标电磁散射的处理，采用配置运动边界条件的方法解决。

考虑目标的运动性，使得目标对电磁散射产生影响，对回波信号产生调制作用。假设入射波为时谐平面波，则调制后的散射电场为：

$E(x,t)=-\left(\frac{1-v/c}{1+v/c}\right)e^{j[\left(\frac{1-v/c}{1+v/c}\right)(w_{i}t-\mathrm{kx})+2\mathrm{jk}\frac{r_0-{\mathrm{vt}}_0}{1-v/c}]}---\left(2\right)$

式中，v为目标运动速度；c为光速；r₀和t₀分别为空间和时间起始点。

从式（2）中可以看出，散射场的幅度和频率相对入射场的幅度和频率都被调制，该调制与目标的运动速度有关。为分析复杂目标的运动性对电磁散射的影响，采用计算电磁学方法，并配置运动边界条件对其进行分析，如图3所示，步骤为：

步骤2.1：按照目标运动的区域将计算的区域划分为总场区和散射场区；

步骤2.2：计算入射场，在总场边界引入入射波；

步骤2.3：确定目标运动过程中在各计算时间步内媒介分界面的位置；

步骤2.4：在分界面处考虑目标的运动情况，引入相对边界条件：

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\→}{n}\×(E_2-E_1)-(\stackrel{\→}{n}\·\stackrel{\→}{v})(B_2-B_1)=0\\ \stackrel{\→}{n}\·(B_2-B_1)=0\\ \stackrel{\→}{n}\·(D_2-D_1)={\mathrm{\ρ}}_s\\ \stackrel{\→}{n}\×(H_2-H_1)+(\stackrel{\→}{n}\·\stackrel{\→}{v})(D_2-D_1)=J_s\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中：E₁、E₂为两个区域的电场强度；B₁、B₂为两个区域的磁通密度；H₁、H₂为两区域的电场强度；D₁、D₂为两区域的电通密度；ρ_s为电荷密度；J_s为电流密度；

步骤2.5：采用数值算法求出目标运动过程中的散射场。

步骤3：计算分层随机粗糙海面与上方目标的复合电磁辐射。

如图4所示，本发明对随机粗糙海面与上方目标复合电磁散射的处理主要采用分区域的方法进行，随机粗糙海面和上方目标复合电磁散射影响计算步骤为：

步骤3.1：将复合电磁散射模型划分为MOM区域和KA区域，其中，将目标划分到MOM区域，粗糙海面划分到KA区域；

步骤3.2：确定目标表面感应电流，用脉冲基函数f_m展开为：

$J_M=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_m{f}_m---\left(4\right)$

步骤3.3：确定粗糙海面表面感应电流，用脉冲基函数f_k展开为：

$J_K=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\β}}_k{f}_k---\left(5\right)$

步骤3.4：考虑粗糙海面上方目标的影响，即目标与粗糙海面之间的耦合作用，此时：

${\mathrm{\β}}_k=2\stackrel{\→}{n}\×H_i\left(r_k\right)\·\stackrel{\→}{z}+2\stackrel{\→}{n}\×L^h\left(\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_m{f}_m\right)\·\stackrel{\→}{z}---\left(6\right)$

式中，L^h表示磁场算子。

同时考虑MOM区域和KA区域，及二者的耦合作用对电磁散射的影响，得到电磁散射方程为：

$\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_n\stackrel{\→}{z}\·[L^e\left(f_n\right)+2\stackrel{\→}{n}\×L^h\left(f_n\right)\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\stackrel{\→}{z}\·L^e\left(f_k\right)]=-E_i-\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\stackrel{\→}{z}\·[2\stackrel{\→}{n}\×H_i\left(r_k\right)\·\stackrel{\→}{z}{L}^e\left(f_k\right)]---\left(7\right)$

式中，L表示电磁场算子，H表示磁场强度。

步骤3.5：求解方程，应用Stratton-Chu公式求解远区散射场：

$E^s=\mathrm{j\ω\μ}(\stackrel{=}{I}+\frac{1}{k^2}\▿\▿)\×\∫\∫\frac{e^{\left(\mathrm{jk}\right|r-r^{\′}\left|\right)}}{4\mathrm{\π}|r-r^{\′}|}{\mathrm{Jds}}^{\′};---\left(8\right)$

式中，L表示电磁场算子，H表示磁场强度，μ为磁导率。

鉴于所分析问题的复杂性，将造成电磁散射计算量大大增加，为了提高算法的计算效率，可将算法进一步优化设计改进，如图5所示，算法改进按照以下步骤进行：

步骤3.1，：定义邻近距离；

步骤3.2，：按照计算过程中源点与场点的距离划分强作用组和弱作用组；

步骤3.3，：选择积分路径；

步骤3.4，：选择谱积分函数；

步骤3.5，：分别计算强作用组和弱作用组贡献，综合两者结果得到总的电磁散射。

Claims (5)

1.一种随机粗糙海面上的运动目标电磁干扰分析方法，其特征在于：

步骤1：分层计算随机粗糙海面的电磁散射；

步骤2：采用计算电磁学方法，并配置运动边界条件，计算运动目标与分层随机粗糙海面的复合电磁辐射；

步骤3：计算分层随机粗糙海面与上方目标的复合电磁辐射。

2.根据权利要求1所述的随机粗糙海面上的运动目标电磁干扰分析方法，其特征在于：步骤1中，分层计算随机粗糙海面的电磁散射通过如下方法实现，

步骤1.1：根据随机粗糙海面的实际情况进行分层；

步骤1.2：建立各层电磁散射方程，并综合计算结果为分层随机粗糙海面电磁散射矩阵；

步骤1.3：做矩阵分解运算，分别计算电磁场在不同方向上产生的电流贡献；

步骤1.4：迭代计算不同方向电流作用产生的散射场；

步骤1.5：综合计算结果，得到总的散射场。

3.根据权利要求2所述的随机粗糙海面上的运动目标电磁干扰分析方法，其特征在于：步骤2中，通过如下方法计算运动目标与分层随机粗糙海面的复合电磁辐射，

步骤2.1：按照目标运动的区域将计算的区域划分为总场区和散射场区；

步骤2.2：计算入射场，在总场边界引入入射波；

步骤2.3：确定目标运动过程中在各计算时间步内媒介分界面的位置；

步骤2.4：在分界面处考虑目标的运动情况，引入相对边界条件：

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\→}{n}\×(E_2-E_1)-(\stackrel{\→}{n}\·\stackrel{\→}{v})(B_2-B_1)=0\\ \stackrel{\→}{n}\·(B_2-B_1)=0\\ \stackrel{\→}{n}\·(D_2-D_1)={\mathrm{\ρ}}_s\\ \stackrel{\→}{n}\×(H_2-H_1)+(\stackrel{\→}{n}\·\stackrel{\→}{v})(D_2-D_1)=J_s\end{array}\right.$

式中：E₁、E₂为两个区域的电场强度；B₁、B₂为两个区域的磁通密度；H₁、H₂为两区域的电场强度；D₁、D₂为两区域的电通密度；ρ_s为电荷密度；J_s为电流密度；

步骤2.5：采用数值算法求出目标运动过程中的散射场。

4.根据权利要求3所述的随机粗糙海面上的运动目标电磁干扰分析方法，其特征在于：步骤3中，通过如下方法计算分层随机粗糙海面与上方目标的复合电磁辐射，

步骤3.1：将复合电磁散射模型划分为MOM区域和KA区域，其中，将目标划分到MOM区域，粗糙海面划分到KA区域；

步骤3.2：确定目标表面感应电流，用脉冲基函数f_m展开为：

$J_M=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_m{f}_m$

步骤3.3：确定粗糙海面表面感应电流，用脉冲基函数f_k展开为：

$J_K=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\β}}_k{f}_k$

步骤3.4：考虑到粗糙海面与上方目标的耦合作用，此时：

${\mathrm{\β}}_k=2\stackrel{\→}{n}\×H_i\left(r_k\right)\·\stackrel{\→}{z}+2\stackrel{\→}{n}\×L^h\left(\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_m{f}_m\right)\·\stackrel{\→}{z}$

式中，L^h表示磁场算子；

同时考虑MOM区域和KA区域，及粗糙海面与上方目标之间耦合作用对电磁散射的影响，得到电磁散射方程为：

$\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_n\stackrel{\→}{z}\·[L^e\left(f_n\right)+2\stackrel{\→}{n}\×L^h\left(f_n\right)\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\stackrel{\→}{z}\·L^e\left(f_k\right)]=-E_i-\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\stackrel{\→}{z}\·[2\stackrel{\→}{n}\×H_i\left(r_k\right)\·\stackrel{\→}{z}{L}^e\left(f_k\right)]$

式中，L表示电磁场算子，H表示磁场强度；

步骤3.5：求解方程，应用Stratton-Chu公式求解远区散射场：

$E^s=\mathrm{j\ω\μ}(\stackrel{=}{I}+\frac{1}{k^2}\▿\▿)\×\∫\∫\frac{e^{\left(\mathrm{jk}\right|r-r^{\′}\left|\right)}}{4\mathrm{\π}|r-r^{\′}|}{\mathrm{Jds}}^{\′};$

式中，L表示电磁场算子，H表示磁场强度，μ为磁导率。

5.根据权利要求3所述的随机粗糙海面上的运动目标电磁干扰分析方法，其特征在于：步骤3中，还可以通过如下方法计算分层随机粗糙海面与上方目标的复合电磁辐射，

步骤3.1，：定义邻近距离；

步骤3.2，：按照计算过程中源点与场点的距离划分强作用组和弱作用组；

步骤3.3，：选择积分路径；

步骤3.4，：选择谱积分函数；

步骤3.5，：分别计算强作用组和弱作用组贡献，综合两者结果得到总的电磁散射。

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