CN104914425A

CN104914425A - 一种超电大尺寸的强电磁脉冲环境时频空多维分析模型

Info

Publication number: CN104914425A
Application number: CN201510329907.7A
Authority: CN
Inventors: 姜弢; 曹小东; 李文兴; 段瀚林
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2015-06-15
Filing date: 2015-06-15
Publication date: 2015-09-16

Abstract

本发明公开了一种超电大尺寸的强电磁脉冲环境时频空多维分析模型，它提出一种采用射线追踪的电磁脉冲重构方法进行频-时变换，建立目标区域时频空多维分析模型，包括如下步骤：(1)通过相关建模软件，建立超电大尺寸对象的几何模型，选择合适的面元剖分方式，生成相应的电磁模型，电磁软件仿真计算到达接收点的所有射线路径；(2)提取射线路径信息，基于射线追踪方法，计算接收点各个频率的频域场；(3)通过傅里叶反变换，得到接收点处时域电磁脉冲。解决了电磁脉冲武器攻击下超电大尺寸对象的电磁环境分布特性计算问题。

Description

一种超电大尺寸的强电磁脉冲环境时频空多维分析模型

技术领域

本发明涉及一种超电大尺寸的强电磁脉冲环境时频空多维分析模型，它提出一种采用射线追踪的电磁脉冲重构方法进行频-时变换，建立目标区域时频空多维分析模型，解决了电磁脉冲武器攻击下超电大尺寸对象的电磁环境分布特性计算问题。

背景技术

超电大尺寸对象上装备大量电子设备，当面临电磁脉冲辐射下的复杂电磁环境时，设备性能会降级甚至造成永久性损坏。同时，高强度的电磁辐射引起的超电大尺寸对象上金属结构感应电流，可能对人员造成灼伤；同时会在金属结构间产生飞弧，引起燃油自燃等，电磁脉冲引起的电磁脉冲效应问题，对超电大尺寸对象正常工作造成了潜在威胁。

射线追踪方法是一种被广泛用于电磁散射中的高频近似方法，采用场近似的原理，对电磁场传播过程进行等效，用射线方法描述电磁波的传播特性。对于电大尺寸目标，基于射线追踪方法，可将某频率的电磁波等效成多条射线，仿真得到发射点到接收点间所有射线轨迹。获知到达接收点的全部射线后，根据每条射线的场强算出接收点的单一频率合成总场。

电磁脉冲具有宽频谱和高能量特性，能通过线缆、缝隙等耦合到电子系统中，导致电子系统性能降级甚至损坏。因此，研究复杂电子系统所处的电磁脉冲环境，对提高复杂电子系统对电磁脉冲的防护能力具有重要的意义。电磁脉冲环境的实测具有一定困难性，并且，由于研究对象是几十米乃至上百米的电大尺寸复杂目标，使用普通商用软件或全波算法，只能进行低频情况下的整体电磁环境模拟，和高频情况下的局部结构电磁特性分析，无法讨论高频情况下的整体电磁脉冲环境。

对超电大尺寸的强电磁脉冲环境的研究，主要分为频域电场屏蔽效能研究和时域脉冲响应研究。前者关注超电大尺寸对电磁脉冲的能量耦合特性；后者考察脉冲辐射下超电大尺寸脉冲电流响应，以及超电大尺寸典型结构作用下的时域脉冲波形特征。

发明内容

本发明的目的是提出一种超电大尺寸的强电磁脉冲环境时频空多维分析模型，采用射线追踪和电磁仿真解决电磁脉冲武器攻击下超电大尺寸对象的电磁环境分布特性计算问题。

本发明所述的技术方案是：

一种超电大尺寸的强电磁脉冲环境时频空多维分析模型，它提出一种采用射线追踪的电磁脉冲重构方法进行频-时变换，建立目标区域时频空多维分析模型，包括如下步骤：

(1)通过相关建模软件，建立超电大尺寸对象的几何模型，选择合适的面元剖分方式，生成相应的电磁模型，电磁软件仿真计算到达接收点的所有射线路径；

(2)提取射线路径信息，基于射线追踪方法，计算接收点各个频率的频域场；

(3)通过傅里叶反变换，得到接收点处时域电磁脉冲。

据权利要求1所述的一种超电大尺寸的强电磁脉冲环境时频空多维分析模型，其特征是：将入射电磁波等效成射线，每根入射射线能量都设置为该频点能量。

据权利要求1所述的一种超电大尺寸的强电磁脉冲环境时频空多维分析模型，其特征是：等效的电磁射线主要包括直射射线，一次反射线及一次绕射线，以及多次绕射与反射复合的散射贡献，例如反射-绕射射线构成的场，绕射-绕射射线构成的场，主要考虑直射射线、一次射线和两次射线，忽略三次及以上的射线。

据权利要求1所述的一种超电大尺寸的强电磁脉冲环境时频空多维分析模型，其特征是：通过电磁仿真需要对射线类型信息进行记录。同时，记录射线追踪中获取的几何信息，包括：观测点位置，每条射线的反射点或绕射点位置，发生反射或绕射作用的面元位置信息。

据权利要求1所述的一种超电大尺寸的强电磁脉冲环境时频空多维分析模型，其特征是：在接收点处的频域场是对所有射线进行叠加，计算各个频率的合成总场。

附图说明

图1为本发明所述的一种超电大尺寸的强电磁脉冲环境时频空多维分析模型的射线追踪算法计算EMP波形流程图。

图2为本发明所述的一种超电大尺寸的强电磁脉冲环境时频空多维分析模型的反射情况的射线基坐标系；

具体实施方式

对于超电大尺寸目标，基于射线追踪方法，可将某频率的电磁波等效成多条射线，通过相关建模软件，建立超电大尺寸对象的几何模型，将几何模型导入电磁仿真软件中，选择合适的面元剖分方式，生成相应的电磁模型；建立超电大尺寸对象模型后，需要对复杂结构进行精确的电磁建模：采用三角形及四边形平面片拟合超电大尺寸对象的表面，将其剖分成面元网格。同时，由于面元网格的大小直接影响数值计算的效率与精度，建模过程中，对超电大尺寸对象进行了分层剖分，复杂结构，采用了较小的剖分步长，确保仿真精度，仿真得到发射点到接收点间所有射线轨迹，计算得到每条射线的路径。

对于超电大尺寸目标来说，接收点处能量由多种射线贡献而来。主要包括直射射线，一次反射线及一次绕射线，以及多次绕射与反射复合的散射贡献，例如反射-绕射射线构成的场，绕射-绕射射线构成的场，主要考虑直射射线、一次射线和两次射线，忽略三次及以上的射线。

通过后处理工作，需要对射线类型信息进行记录。同时，记录射线追踪中获取的几何信息，包括：观测点位置，每条射线的反射点或绕射点位置，发生反射或绕射作用的面元位置信息。

通过这些几何信息，可以获取后续场值求解中的各参量，场值求解分为两部分。

一是计算反射场，当射线在复杂环境下多次反射时，可以以入射射线和反射射线作为坐标轴，建立适用于反射情况的反射射线基坐标，如图2所示，采用这种坐标系可以简化笛卡尔坐标系下路径和场强的复杂运算。

适用于反射情况的射线基坐标系，由两两垂直的三个矢量组成，分别为为入射射线方向的单位矢量，为反射射线方向的单位矢量，和组成入射平面，为入射平面内和相垂直的单位矢量，为入射平面内和相垂直的单位矢量，和是和入射平面相垂直的单位矢量。且满足下列矢量积关系

{\hat{α}}_{1} = {\hat{β}}_{1} \times {\hat{s}}_{1}

{\hat{α}}_{2} = {\hat{β}}_{2} \times {\hat{s}}_{2}

射线在空间传播时，可以分解为沿着方向的垂直极化分量，以及沿着方向的水平极化分量，但在传播方向上没有电场分量；因此，笛卡尔坐标系下沿着三个方向的电场，可表示为射线基坐标系下沿着两个方向的电场，

\hat{E} = \hat{α} E_{α} + \hat{β} E_{β}

E_α是在单位矢量上的投影，为平面波垂直极化分量，E_β是在单位矢量上的投影，是平面波水平极化分量，此时反射系数为2×2的并矢系数矩阵反射电场和入射电场的关系

E^{r} = E^{i} \cdot \overset{&OverBar;}{\overset{&OverBar;}{R}} \cdot e^{- j k s}

的表达式如下

\overset{&OverBar;}{\overset{&OverBar;}{R}} = [\begin{matrix} R_{e} & 0 \\ 0 & R_{m} \end{matrix}]

R_e为水平极化分量的反射系数，R_m为垂直极化分量的反射系数，对于介质材料来说，R_e和R_m与介质1和介质2的相对介电常数ε₁和ε₂有关。

二是计算绕射场，由绕射理论可知，对于发生绕射的边缘结构来说，其周边的散射场是有方向性的或者说是非均匀的，和射线极化方式、射线与劈的切角、劈的内角有关。用绕射系数来定量地反应这种方向性和非均匀性，从而，入射场和绕射系数共同确定了绕射射线的初值。因此，需要计算每条射线的绕射系数，得到绕射射线的场强值和方向性，根据电波传播书籍，可知绕射系数。

如图1所示，根据反射及绕射系数计算每条射线在接收点的矢量场，对所有射线进行叠加，计算该频点的合成总场；重复电磁仿真，得到各频点的频域场值，通过傅里叶反变换，得到接收点处时域电磁脉冲。

Claims

1.一种超电大尺寸的强电磁脉冲环境时频空多维分析模型，它提出一种采用射线追踪的电磁脉冲重构方法进行频-时变换，建立目标区域时频空多维分析模型，包括如下步骤：

(3)通过傅里叶反变换，得到接收点处时域电磁脉冲。

2.据权利要求1所述的一种超电大尺寸的强电磁脉冲环境时频空多维分析模型，其特征是：将入射电磁波等效成射线，每根入射射线能量都设置为该频点能量。

3.据权利要求1所述的一种超电大尺寸的强电磁脉冲环境时频空多维分析模型，其特征是：等效的电磁射线主要包括直射射线，一次反射线及一次绕射线，以及多次绕射与反射复合的散射贡献，例如反射-绕射射线构成的场，绕射-绕射射线构成的场，主要考虑直射射线、一次射线和两次射线，忽略三次及以上的射线。

4.据权利要求1所述的一种超电大尺寸的强电磁脉冲环境时频空多维分析模型，其特征是：通过电磁仿真需要对射线类型信息进行记录。同时，记录射线追踪中获取的几何信息，包括：观测点位置，每条射线的反射点或绕射点位置，发生反射或绕射作用的面元位置信息。

5.据权利要求1所述的一种超电大尺寸的强电磁脉冲环境时频空多维分析模型，其特征是：在接收点处的频域场是对所有射线进行叠加，计算各个频率的合成总场。