CN106599421B - 一种基于成像的吸波材料涂敷目标爬行波的分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于成像的吸波材料涂敷目标爬行波的分析方法，该方法包含：步骤1：构建三维几何模型，设置模型的材料属性；步骤2：根据距离向分辨率设置雷达的扫描频率范围和频率间隔，根据方位向分辨率确定扫描方位范围和间隔，进行成像并计算所需带宽、角度范围内的远区或近区的散射场；步骤3：采用FBP算法对步骤2中所述的散射场进行数据处理，实现高分辨率的成像，得到二维ISAR图像；步骤4：根据所述的二维ISAR图像，分析爬行波的具体位置，并且进一步提取爬行波分量，当爬行波分量最小时所选材料的属性最优。本发明的方法对爬行波分析普遍适用，成像分析简易，并提供抑制爬行波的方法。

Description

一种基于成像的吸波材料涂敷目标爬行波的分析方法
技术领域
本发明涉及雷达目标特性仿真技术，具体涉及一种基于成像的吸波材料涂敷目标爬行波的分析方法。
背景技术
爬行波在曲面上形成的绕射贡献在电磁散射特性中至关重要。爬行波寻迹是计算、分析爬行波的通用手段，传统一致性几何绕射理论方法(UTD)对复杂模型使用典型几何体进行模型外形逼近，其爬行波寻迹相对简单而且可以直接通过解析计算求出。但是，典型几何体难以逼近工程应用中的几何物体，这就大大限制了该方法的应用范围。而任意形状曲面表面的爬行波寻迹十分复杂，吸波材料涂敷进一步加大了爬行波寻迹的实现难度。
深圳光启高等理工研究院在专利“一种衰减天线爬行波的装置”(公开号：CN102810743A)中，通过在天线表面采用改变超材料薄膜层的折射率变化以衰减天线表面出现的爬行波，从而大大减小了爬行波对天线的影响，保证了天线的高效率；中国台湾国防部军备局中山科学研究院在专利“爬行波吸波材料”(公开号：TW201239021A)中，通过在航空器的高度计收发天线表面贴敷高磁损耗吸波材料，利用其在特定频率对爬行波吸波能力使两天线之耦合信号衰减，使得天线耦合干扰作用大幅降低；陕西海泰电子有限责任公司在专利“超宽带屏蔽电源滤波器”(公开号：CN203072274U)中，高频噪声通过屏蔽室电源滤波器时，会在屏蔽室电源滤波器壳体内表面耦合出爬行波，导致屏蔽室电源滤波器效果下降，针对上述技术问题，提出了一种抑制爬行波的超宽带屏蔽电源滤波器。
上述三个专利主要针对爬行波抑制提出可行的实现方案。依次采用超材料薄膜层、高磁损耗吸波材料和超宽带滤波器对爬行波抑制。三者都是解决了“怎么办”的问题，跳过了“为什么”的问题。
目前现有公开文献中，对爬行波特性的研究采用的都是寻迹计算方法。武汉大学陈曦博士论文《任意光滑凸曲面电磁波绕射建模方法研究》中，实现了光滑凸曲面爬行波轨迹的快速寻迹，没有处理复杂几何外形的能力。北京航空航天大学马立东、刘忠铁在电波科学学报《三维机翼前缘影区爬行波RCS研究》中，采用几何绕射理论计算、分析了金属三维机翼爬行波，无法解决吸波材料涂敷问题。
目前为止，国内外还没有完整而较好地解决爬行波寻迹的问题，吸波材料涂敷进一步加大了爬行波寻迹的实现难度。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于成像的吸波材料涂敷目标爬行波的分析方法，该方法能够解决现有技术不能同时考虑到复杂几何外形和吸波材料涂敷对爬行波的影响的问题，能够提供一种对爬行波分析普遍适用的、简易的成像分析方法，并能够提供抑制爬行波的方法。
为了达到上述目的，本发明提供了一种基于成像的吸波材料涂敷目标爬行波的分析方法，该方法包含：
步骤1：构建三维几何模型，设置模型的材料属性；
步骤2：根据距离向分辨率设置雷达的扫描频率范围和频率间隔，根据方位向分辨率确定扫描方位范围和间隔，进行成像并计算所需带宽、角度范围内的远区或近区的散射场；
步骤3：采用FBP算法对步骤2中所述的散射场进行数据处理，FBP算法精确计算每一个像素到每一个天线位置之间的距离，沿着每一个散射点轨迹进行时域的相干叠加，从而实现了高分辨率的成像，得到二维ISAR图像；
步骤4：根据所述的二维ISAR图像，分析爬行波的具体位置，并且进一步提取爬行波分量，当爬行波分量最小时所选材料的属性最优。
所述的三维几何模型为圆锥模型。
步骤2中所述的成像采用垂直极化成像。
步骤2中所述的扫描频率范围为2.5GHz～3.5GHz，频率间隔为50MHz。
步骤2中所述的方位扫描范围为-5°～5°，角度间隔为0.5°。
步骤2中所述的散射场的计算采用如下公式：
上述式中，c为光速，B为带宽，λ为波长，Δθ为张角，δr表示距离向分辨率，δc表示方位向分辨率。
所述的三维几何模型的材料为吸波材料，该吸波材料为电吸收吸波材料或磁吸收吸波材料。
所述的电吸收吸波材料包括导电炭黑或石墨。
所述的磁吸收吸波材料包括铁的化合物和混合物。
所述的铁的化合物和混合物为六角晶系铁氧体或羟基铁。
本发明提供的基于成像的吸波材料涂敷目标爬行波的分析方法，解决了现有技术不能同时考虑到复杂几何外形和吸波材料涂敷对爬行波的影响的问题，具有以下优点：
(1)本发明提供的分析方法采用滤波逆投影(Filtered Back-Projection，FBP)算法，使得本发明的分析方法也能够适用于近场情形。
(2)本发明提供的分析方法能适用于各种散射机理，如镜面反射和尖顶绕射，具有广泛的通用性。
(3)本发明提供的分析方法能够将物体的形状和表面涂敷的吸波材料的影响考虑在内，使本发明的计算方法更加精准。
(4)本发明提供的分析方法采用的成像方法简易，通过一维距离像和二维ISAR图像结合的方式分析爬行波特性。
附图说明
图1为本发明实施例中构建的圆锥三维几何模型的示意图。
图2为本发明提供的金属材料的ISAR图像。
图3为本发明提供的磁性吸波材料的ISAR图像。
图4为本发明提供的金属材料和磁性吸波材料的一维距离像的曲线图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
本发明用于提供一种基于成像的吸波材料涂敷目标爬行波的分析方法，该方法采用一维距离像和二维ISAR图像相结合的方式分析处理吸波材料涂敷目标爬行波特性，成像数据采用数值仿真计算(优选矩量法)获取。
通过电磁成像可以分析不同散射机理对应的热点位置，进而可以提取不同散射机理对应的散射分量。采用成像分析获取爬行波特性的方法，同样适用于其他散射机理(如镜面反射、尖顶绕射)的获取，具有广泛的通用性。采用滤波逆投影算法(FBP)对上述成像数据处理使得上述的分析方法也能够适用于近场情形。
本发明的分析方法采用不同的吸波材料，吸波材料主要针对镜面反射机理使用，对镜面反射有显著的衰减作用。如图2和图3所示，分别为金属材料和磁性材料的ISAR图像，成像结果表明磁性吸波材料对爬行波抑制更加有效。如图4所示，为金属材料和磁性材料圆锥一维距离像，从图中曲线可以看出，金属材料的散射亮度要明显高于吸波材料的散射亮度。因此，吸波材料与金属材料相比能够更好的抑制爬行波，其抑制爬行波的原因在于在一个频带范围内，磁吸收吸波材料与空气可以形成阻抗匹配。
上述吸波材料包括：电吸收吸波材料和磁吸收吸波材料。电吸收吸波材料的吸波剂大多数是导电炭黑或石墨，这类电吸收吸波材料电磁能主要衰减在电阻上；而磁吸收吸波材料则通常采用铁的化合物和混合物，如铁氧体(六角晶系)或羟基铁等，铁氧体吸收电磁波的主要机理是自然共振。六角晶系的片状结构具有较高的磁性各向异性等效场，因而有较高的自然共振频率，吸波效果好。
选取吸波材料时，通过成像的方式分析两种不同损耗机理吸波材料对爬行波的衰减作用，在工程实践中有目的选择吸波材料的种类、参数和厚度。
实施例
本发明用于提供一种基于成像的吸波材料涂敷目标爬行波的分析方法，该方法具体如下：
步骤1：如图1所示，构建具有壁厚2～4mm(优选3mm)的圆锥三维几何模型，该圆锥的底部直径为0.35m～0.55m(优选0.45m)，高度为1.525m～1.725m(优选1.625m)，轴线与Y轴夹角13°，设置模型的材料的种类、参数和厚度。
步骤2：成像距离向分辨率计算方法如公式(1)，方位向分辨率计算方法如公式(2)，
式中，c为光速，B为带宽，λ为波长，Δθ为张角，δr表示距离向分辨率，δc表示方位向分辨率。通过上述公式(1)和(2)可以反推得出散射场的计算设置。雷达对步骤1中所述的圆锥三维几何模型的频率扫描范围为2.5GHz～3.5GHz，频率间隔为50MHz，方位扫描范围为-5°～5°，角度间隔为0.5°，采用垂直极化成像；
步骤3：采用FBP算法对步骤2中计算得到的散射场进行数据处理。FBP精确的计算每一个像素到每一个天线位置之间的距离，沿着每一个散射点轨迹进行时域的相干叠加，从而实现了高分辨率的成像。
步骤4：根据二维ISAR图像，分析爬行波的具体位置，如图2中距离方向上最大亮点右方的条纹状亮区即是爬行波的位置，割取该位置的亮区，并反演得到该区的散射场大小，即得到爬行波分量的大小。为了分析不同电磁参数吸波材料的爬行波抑制效果，在模型中优化设置不同的材料属性，逐一成像分析，当爬行波分量最小时，得到最优的材料属性。
综上所述，本发明提供的基于成像的吸波材料涂敷目标爬行波的分析方法解决了现有分析方法不能将处理复杂几何外形和吸波材料涂敷同时考虑的问题，能够提供广泛通用的分析方法和简易的成像方法。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种基于成像的吸波材料涂敷目标爬行波的分析方法，其特征在于，该方法包含：
步骤1：构建三维几何模型，设置模型的材料属性；所述的三维几何模型为圆锥模型；所述的三维几何模型的材料为吸波材料，
步骤2：根据距离向分辨率设置雷达的扫描频率范围和频率间隔，根据方位向分辨率确定方位扫描范围和角度间隔，进行成像并计算所需带宽、方位扫描范围内的远区或近区的散射场；
步骤3：采用FBP算法对步骤2中所述的散射场进行数据处理，FBP算法精确计算每一个像素到每一个天线位置之间的距离，沿着每一个散射点轨迹进行时域的相干叠加，从而实现了高分辨率的成像，得到二维ISAR图像；
步骤4：根据所述的二维ISAR图像，分析爬行波的具体位置，并且进一步提取爬行波分量，当爬行波分量最小时所选材料的属性最优。
2.根据权利要求1所述的基于成像的吸波材料涂敷目标爬行波的分析方法，其特征在于，步骤2中所述的成像采用垂直极化成像。
3.根据权利要求2所述的基于成像的吸波材料涂敷目标爬行波的分析方法，其特征在于，步骤2中所述的扫描频率范围为2.5GHz～3.5GHz，频率间隔为50MHz。
4.根据权利要求2所述的基于成像的吸波材料涂敷目标爬行波的分析方法，其特征在于，步骤2中所述的方位扫描范围为-5°～5°，角度间隔为0.5°。
5.根据权利要求1所述的基于成像的吸波材料涂敷目标爬行波的分析方法，其特征在于，步骤2中所述的散射场的计算采用如下公式：
上述式中，c为光速，B为带宽，λ为波长，Δθ为张角，δr表示距离向分辨率，δc表示方位向分辨率。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的基于成像的吸波材料涂敷目标爬行波的分析方法，其特征在于，该吸波材料为电吸收吸波材料或磁吸收吸波材料。
7.根据权利要求6所述的基于成像的吸波材料涂敷目标爬行波的分析方法，其特征在于，所述的电吸收吸波材料包括导电炭黑或石墨。
8.根据权利要求6所述的基于成像的吸波材料涂敷目标爬行波的分析方法，其特征在于，所述的磁吸收吸波材料包括铁的化合物和混合物。
9.根据权利要求8所述的基于成像的吸波材料涂敷目标爬行波的分析方法，其特征在于，所述的铁的化合物和混合物为六角晶系铁氧体或羟基铁。
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