CN107621633A - 电大尺寸隐身目标的爬行波机理研究方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电大尺寸隐身目标的爬行波机理研究方法，包含：S1、采用射线追踪法获取目标的网格模型表面的短程线；S2、对目标在不同双站角度下的爬行波传播方向及能量随目标表面曲率变化的特性分析；当入射电磁波达到目标凸表面时，爬行波沿目标表面的切向分量衰减入射电磁波的能量，沿目标表面的爬行分量继续传播；S3、对低散射目标的双站散射特性的多散射机理进行分析，通过多个散射机理的矢量场叠加完成低散射目标的雷达散射截面的计算；S4、对电大尺寸目标爬行波的射线追踪路径的控制参数进行优化。本发明弥补了常规电磁波算法在低散射目标的双站特性获取中的不足，计算简单、效率高、精确度高，极大拓展了电磁尺寸隐身目标的计算能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种电大尺寸隐身目标的爬行波机理研究方法，具体是指一种电大尺寸隐身目标的双站散射机理研究方法，属于目标双站电磁散射特性高精度计算的技术领域。
背景技术
目标雷达散射截面(RCS，Radar Cross section)是表征雷达目标对照射电磁波散射能力的一个物理量。目标RCS的大小是衡量目标探测精度的一个重要度量。由于当前相继开展隐身技术的发展，隐身战斗机、隐身无人机等使得目标RCS得到极大缩短，严重影响了雷达探测性能。在电子对抗日益激烈的今天，目标RCS的缩减是衡量一个国家军事实力的重要指标。
目标RCS缩减的手段主要包括外形隐身和材料涂层隐身，其中外形隐身占80％以上，主要采用外形设计的方式将雷达来波方向的能量转移到其他方向，进而缩减雷达来波方向的回波能量，达到隐身的目的。外形隐身主要缩减了镜面反射、尖劈反射等机理，使得直接散射效应减弱，但增加了目标表面的爬行波贡献，使得目标双站散射特性远大于常规目标。开展隐身目标爬行波机理研究可准确获取隐身目标双站散射特性，为雷达双站布局探测、隐身机理研究等都具有重要意义。
目前分析电大尺寸隐身目标双站散射特性的方法主要有弹跳射线法、积分方程矩量法等。其中弹跳射线法考虑了目标表面的多次反射和电流等效，具有一定的双站计算精度；但电磁计算中利用了物理光学假设，计算精度较低，尤其是低散射目标计算精度无法满足需求。积分方程矩量法是一种严格的数值方法，具有计算精度高、物理概念清楚等优势，但该方法对计算资源消耗过大，即便在当前超大计算节点上也无法满足电大尺寸隐身目标的计算任务。
马东立、刘忠铁等在2009年发表在电波科学学报上的文献《三维机翼前缘影区爬行波RCS研究》中，根据光滑凸曲面的一致性绕射理论(UTD，Uniform Theory ofDiffraction)给出了爬行波的后向散射远去电磁场计算公式。按照RCS定义给出了计算爬行波的散射贡献，采用微分几何原理分析任意凸曲面上的爬行波短程线特性，通过试验对比结果验证了算法的可行性和正确性。但该方法未考虑双站散射特性，缺少电大尺寸隐身目标的双站散射特性计算与评估。
吴萍、吴先良等在2003年发表在微机发展上的文献《凸曲面爬行波射线寻迹的研究》中，提出了基于短程线的定义，结合自由曲线曲面几何造型技术的凸曲面导体目标表面的爬行波射线寻迹方法，对可展面爬行波射线寻迹计算进行了讨论，并通过与理论解的对比验证了算法的正确性。但该方法要求目标曲线曲面模型已知，对复杂目标网格模型开展短程线寻迹计算精度下降，无法满足隐身目标双站散射特性精确计算的需求。
刘松华、郭立新、韩旭彪等在2010年发表在航空兵器上的文献《并行PO分析电大尺寸复杂军事目标的电磁散射》中，提出了基于PC集群MPI(Message Passing Interface，消息传递界面)并行平台的并行PO(物理光学)方法计算电大尺寸复杂军事目标-导弹与飞机的电大尺寸，根据MPI并行计算平台的特点，给出了将PO三角面元按照编号循环分配到不同进程，进行并行遮挡判断的详细过程，极大的提升了电大尺寸目标的计算效率。但该方法仅考虑镜面散射机理，未考虑绕射机理和爬行波机理，不适于隐身目标电磁散射特性的计算。
基于上述，本发明提出一种新的电大尺寸隐身目标的爬行波机理研究方法，可有效解决现有技术中存在的限制和缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供一种电大尺寸隐身目标的爬行波机理研究方法，弥补了常规电磁波算法在低散射目标的双站特性获取中的不足，计算简单、效率高、精确度高，极大的拓展了电磁尺寸隐身目标的计算能力。
为实现上述目的，本发明提供一种电大尺寸隐身目标的爬行波机理研究方法，包含以下步骤：
S1、采用射线追踪法获取目标的网格模型表面的短程线，其中目标的参数是由网格模型确定的；
S2、对目标在不同双站角度下的爬行波传播方向及能量随目标表面曲率变化的特性分析；其中，当入射电磁波达到目标凸表面时，爬行波沿目标表面的切向分量衰减入射电磁波的能量，沿目标表面的爬行分量继续传播；
S3、对低散射目标的双站散射特性的多散射机理进行分析，通过多个散射机理的矢量场叠加完成低散射目标的雷达散射截面的计算；
S4、对电大尺寸目标爬行波的射线追踪路径的控制参数进行优化。
所述的S1中，采用基于射线追踪法对目标的网格模型表面进行短程线寻迹以获取目标，具体是利用与入射电磁波垂直平面上的射线束开展目标的网格模型表面的短程线计算；其中，射线束的数量根据目标的网格模型的尺寸确定。
所述的S1中，具体包含以下步骤：
S11、通过测绘获取低散射目标的网格模型，由多个网格单元构成；
S12、在距离目标10λ的位置处，截取垂直于入射电磁波的一个平面，作为射线束的起点；并在该平面上按照λ/3为间隔进行离散；其中，λ表示入射电磁波的波长；
S13、根据射线束在空间中的传播时间因子、射线束的起始位置以及射线束的传播方向，得到射线束的传播方程；
S14、在目标的网格模型的坐标已知的前提下，求出射线束与目标的网格模型的交点；
S15、射线束与目标的网格模型的表面相交之后，其传播方向分别沿目标表面的爬行方向和镜面光学反射方向。
所述的S2中，当入射电磁波入射到目标凸表面时，求解目标的网格模型表面的短程线的具体步骤为：
S21、入射电磁波入射到目标凸表面时，其与网格单元P0上有第一交点r1，爬行波在目标表面沿方向τ0传播，直至到达相邻的网格单元P1，此时网格单元P0和网格单元P1的相邻棱边上有第二交点r2；
S22、确定第二交点r2与网格单元P1的外法向的切平面n1，将第一交点r1移到第二交点r2处，并经过第一交点r1和切平面n1作平面，求出该平面与网格单元P1的交线，则该交线所在方向即为网格单元P1上的短程线；
S23、循环执行步骤S21～S22，直到爬行波的能量衰减至90％以上，或者爬行波绕目标传播一周。
所述的S2中，爬行波沿目标表面的切向分量的衰减，以及沿目标表面的爬行分量的传播，均与相邻网格单元间的法向夹角有关；该法向夹角越大，爬行波切向分量的能量越大；反之，则爬行波爬行分量的能量越大。
所述的S3中，低散射目标的双站散射特性的多散射机理包含镜面散射、边缘绕射、爬行波散射三个方面；其中，镜面散射由物理光学法求解，边缘绕射由边缘绕射法求解，爬行波散射由爬行波算法求解。
所述的S4中，采用B样条插值法，对电大尺寸目标爬行波的射线追踪路径的控制参数进行优化。
所述的S4中，电大尺寸目标爬行波的射线追踪路径的控制参数的优化包含：短程线优化、切向幅度优化、爬行传播方向及幅度的优化和射线束数目优化。
综上所述，本发明所提供的电大尺寸隐身目标的爬行波机理研究方法，为电大尺寸隐身目标双站电磁散射特性准确获取提供一种有效计算方法，通过研究爬行波短程线方法，给出适用于目标网格模型的爬行波机理计算。因此，本发明能够解决现有技术中电大尺寸隐身目标双站散射特性计算精度差、计算效率低的难题，为电大尺寸隐身目标双站散射特性数据获取和分析提供有效的技术手段，极大的增强低散射目标双站散射机理的研究能力。
附图说明
图1为本发明中的电大尺寸隐身目标的爬行波机理研究方法的流程图；
图2为本发明中的低散射目标的网格模型的一个具体实施例的示意图；
图3为本发明中的爬行波射线寻迹路径的一个具体实施例的示意图；
图4为本发明中的爬行波控制参数优化修正的示意图。
具体实施方式
以下结合图1～图4，详细说明本发明的一个优选实施例。
如图1所示，为本发明所提供的电大尺寸隐身目标的爬行波机理研究方法，包含以下步骤：
S1、采用射线追踪法获取目标的网格模型表面的短程线，其中目标的参数是由网格模型确定的；
S2、对目标在不同双站角度下的爬行波传播方向及能量随目标表面曲率变化的特性分析；其中，当入射电磁波达到目标凸表面时，爬行波沿目标表面的切向分量衰减入射电磁波的能量，沿目标表面的爬行分量继续传播；
S3、对低散射目标的双站散射特性的多散射机理进行分析，通过多个散射机理的矢量场叠加完成低散射目标的雷达散射截面(RCS，Radar Cross Section)的精确计算；
S4、对电大尺寸目标爬行波的射线追踪路径的控制参数进行优化。
所述的S1中，由于现有技术中的基于目标参数方程的短程线方法适用范围有限，因此本发明采用基于射线追踪法对目标的网格模型表面进行短程线寻迹以获取目标，具体是利用与入射电磁波垂直平面上的射线束开展目标的网格模型表面的短程线计算，能够极大的提升爬行波的计算能力。其中，射线束追踪以获取短程线时射线束的数目按照目标的网格模型的尺寸确定。
所述的S1中，具体包含以下步骤：
S11、通过测绘获取低散射目标的网格模型，目标的网格模型为平面三角形，即由多个三角形网格单元构成；考虑到网格模型是目标散射特性计算的输入，因此网格模型对目标的模拟程度是确保精确计算的根本之一；
本实施例中，入射电磁波频率为10GHz，网格模型的网格尺寸为0.1m，目标的尺寸为18m×14m×4m，目标表面网格数目为30067，如图2所示；
S12、如图3所示，在距离目标10λ的位置处，截取垂直于入射电磁波的一个平面，作为射线束的起点；并在该平面上按照λ/3为间隔进行网格离散；其中，λ表示入射电磁波的波长；由于每个射线束对应一个爬行波机理计算，射线束在传播过程中仅在相邻网格单元间产生沿切向的散射分量和爬行分量；
S13、设定射线束的起始位置为r0(x0,y0,z0)，设定射线束的传播方向为si(sx,sy,sz)，则射线束传播方程为：
r(x,y,z)＝r0(x0,y0,z0)+si(sx,sy,sz)t；
式中，t为射线束在空间中的传播时间因子；
S14、在目标的网格模型的坐标已知的前提下，可求出射线束与目标的网格模型的交点；具体的：
记三角形网格单元的三个顶点为r1,r2,r3，则外法向矢量为：
n＝(r2-r1)×(r3-r1)/||(r2-r1)×(r3-r1)||；
再根据三角形网格单元所在平面的方程可联立得到交点的方程组：
求解该方程组即可得到射线束与目标的网格模型的交点的具体坐标为：
S15、射线束与目标的网格模型的表面相交之后，其传播方向分为两部分，分别沿目标表面的爬行方向和镜面光学反射方向；其中，射线束的镜面光学反射部分按照Snell定律(斯涅尔定律)求出，其在垂直入射时占主导作用，剩余爬行部分沿着入射方向在目标表面进行传播，因此得到：
W(t)＝Ws(t)+Wp(t)；
式中，W(t)为射线束与目标的网格模型的表面相交时的总能量；Ws(t)为射线束沿目标表面的镜面光学反射方向传播的能量；Wp(t)为射线束沿目标表面的爬行方向传播的能量；
当入射电磁波与网格单元的法向夹角为α，则上式中的分配为：
所述的S2中，当入射电磁波达到目标凸表面时，爬行波沿目标表面的切向分量衰减入射电磁波的能量，同时沿目标表面的爬行分量继续传播，形成多模式的场分量。在爬行波传播路径上的每一点位置处均有切向分量和爬行分量，对双站起主要作用的切向分量与目标表面曲率半径相关，是形成双站散射特性精确计算的关键。
所述的S2中，由于本实施例中目标的网格模型为三角形，当入射电磁波入射到目标凸表面时，求解目标的网格模型表面的短程线的具体步骤为：
S21、对于入射电磁波与三角形网格单元P0上的交点r1(x1,y1,z1)，爬行波在目标表面沿方向τ0传播，直到传播出该网格单元，到达相邻的网格单元P1，此时网格单元P0和网格单元P1相邻的棱边上的交点记为r2(x2,y2,z2)；
S22、确定出r2(x2,y2,z2)与网格单元P1的外法向的切平面n1，将r1(x1,y1,z1)移到r2(x2,y2,z2)，过r1(x1,y1,z1)和n1作平面，求其与网格单元P1的交线，则该交线所在方向即为网格单元P1上的短程线；
S23、循环执行步骤S21～S22，直到爬行波的能量衰减至90％以上，或者爬行波绕目标传播一周。
所述的步骤S2中，入射电磁波的射线束在单个平面网格单元上的爬行分量和切向分量重合，在两个相邻的网格单元交界处，爬行分量和切向分量的传播方向分离，在总能量保持一致的情况下，每个分量的大小由相邻网格单元的法向夹角决定。也就是说，爬行波沿目标表面的切向分量的衰减，以及沿目标表面的爬行分量的传播，均与相邻网格间的法向夹角有关；该法向夹角越大，爬行波切向分量的能量越大；反之，则爬行波爬行分量的能量越大。
假设入射电磁波在初次与三角形网格单元P0初次相交时的能量为经过一次网格单元的爬行之后，沿切向方向的分量为而沿下个相邻网格单元P1的爬行分量为记两个网格单元之间的法向分量分别为n0和n1，则这两个相邻网格单元之间的夹角为：
β＝2π-acos(n0·n1/|n0·n1|)；
且沿切向方向的分量和爬行分量的能量分配关系为：
所述的S3中，低散射目标的双站散射特性的多散射机理包含镜面散射、边缘绕射、爬行波散射三个方面；其中，镜面散射由物理光学法求解，边缘绕射由边缘绕射法求解，爬行波散射由爬行波算法求解。在低散射目标的双站散射特性的计算中，爬行波散射的贡献往往大于物理光学的镜面散射。
所述的S3中，具体包含以下步骤：
S31、采用物理光学法求解远区网格单元散射场的公式为：
其中，k为波数，z为散射方向，R为场源距离，r为场点矢量，Ei为入射电磁场，θ为每一个网格单元的法向矢量与入射方向的夹角，p为入射电磁波直接照射区的网格单元的集合，Δs为对应三角形的面积；
S32、采用边缘绕射法求解相邻三角形网格单元间散射场的公式为：
其中，线积分沿入射电磁波照射区的棱边w进行，eΠ i,eT i分别是平行和垂直于入射面的单位矢量，该入射面由入射方向和棱边方向确定，γ为入射电场与eΠ i的夹角，Dx,DT分别为单站增量长度绕射系数；
S33、采用爬行波算法求解爬行波散射场的公式为：
W(t)＝Ws(t)+Wp(t)；
S34、将S31、S32和S33中的各个散射场的散射贡献进行矢量叠加，即可得到目标在任意观测方向下的散射特性。
所述的S4中，电大尺寸目标爬行波的射线追踪路径的控制参数是影响计算精度的关键，在非参数化的目标描述中，爬行波切向分量和曲率半径存在较大误差，开展参数优化设计可极大的提升计算精度。
所述的S4中，电大尺寸目标爬行波的射线追踪路径的控制参数的优化包含：短程线优化、切向幅度优化、爬行传播参数(包括方向和幅度)优化和射线束数目优化；其中，主要是基于爬行波切向幅度的优化，和爬行波爬行传播方向及幅度的优化。
在低散射目标双站散射贡献中，爬行波的贡献占主导作用。爬行波在相邻网格单元间的切向传播系数将严重影响计算精度，尤其是当网格单元较大，无法精确描述目标表面细节时，将严重影响目标双站散射特性数据精度。
本发明将采用B样条插值法在相邻三角形网格单元间开展参数修正，利用插值计算构造目标的相邻网格单元间的曲率半径，实现爬行分量系数和切向分量系数的修正，进一步提升爬行波计算精度。在爬行波传播分量的相邻三角形网格单元上，在射线束和网格单元法线的平面上构造B样条平面曲线，如图4所示。
位于曲面外O点的源发出的射线向光滑的理想导电曲面入射，即沿入射点Q1的阴影边界入射时，其能量将分为两部分：一部分能量沿直线继续传播；另一部分能量将在Q1点激励起表面场，此场将沿曲面s传播，并不断沿传播路径的切线方向处绕射射线，从而在位于阴影区的P点产生绕射场。把沿曲面s传播的表面场看成是表面射线的伴生场，简称表面射线场。由广义费马原理可知，图4中由O点经曲面上的Q1点和Q2点到达P点的路程是O点和P点间不穿过曲面的最短距离。即入射射线和绕射射线分别在Q1点和Q2点和曲面相切。而表面射线又是沿Q1点和Q2点间的最短距离，即按短程曲线传播。
令为Q1点入射方向的单位矢量，为s面在Q1点副法线方向的单位矢量，为Q1点副法线方向的单位矢量，在Q2点也同样定义一组类似的单位矢量且其中是绕射射线方向的单位矢量。
假设相邻表面射线间的能量是守恒的，则从t到t+dt这段射线管内的能量消耗与其中的总能量成正比，表示为：
其中，dη是射线管的横截面，α是比例常数。
构造后的爬行波贡献可表示为：
其中，E(1)为入射电磁波；比例常数是标量表面绕射系数，上标s,h分别表示软、硬边界条件；用1代表Q1点，用2表示Q2点；ρ为修正的曲率半径，s是伴生场分量，为s面在Q1点副法线方向的单位矢量，为Q1点副法线方向的单位矢量， 为s面在Q2点副法线方向的单位矢量，为Q2点副法线方向的单位矢量，
综上所述，本发明所提供的电大尺寸隐身目标的爬行波机理研究方法，与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：
1、利用目标的网格模型进行爬行波计算，保证了目标模型获取的灵活性，特别是非参数化方法使得爬行波计算更加方便；
2、利用网格单元上的法向夹角开展爬行波在切向分量和爬行分量的参数修正和游优化，确保了爬行波能量守恒；
3、在低散射目标双站计算中，利用多散射机理贡献进行矢量叠加，充分考虑各种散射机理，确保了计算精度。
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 (8)
1.一种电大尺寸隐身目标的爬行波机理研究方法，其特征在于，包含以下步骤：
S1、采用射线追踪法获取目标的网格模型表面的短程线，其中目标的参数是由网格模型确定的；
S2、对目标在不同双站角度下的爬行波传播方向及能量随目标表面曲率变化的特性分析；其中，当入射电磁波达到目标凸表面时，爬行波沿目标表面的切向分量衰减入射电磁波的能量，沿目标表面的爬行分量继续传播；
S3、对低散射目标的双站散射特性的多散射机理进行分析，通过多个散射机理的矢量场叠加完成低散射目标的雷达散射截面的计算；
S4、对电大尺寸目标爬行波的射线追踪路径的控制参数进行优化。
2.如权利要求1所述的电大尺寸隐身目标的爬行波机理研究方法，其特征在于，所述的S1中，采用基于射线追踪法对目标的网格模型表面进行短程线寻迹以获取目标，具体是利用与入射电磁波垂直平面上的射线束开展目标的网格模型表面的短程线计算；其中，射线束的数量根据目标的网格模型的尺寸确定。
3.如权利要求2所述的电大尺寸隐身目标的爬行波机理研究方法，其特征在于，所述的S1中，具体包含以下步骤：
S11、通过测绘获取低散射目标的网格模型，由多个网格单元构成；
S12、在距离目标10λ的位置处，截取垂直于入射电磁波的一个平面，作为射线束的起点；并在该平面上按照λ/3为间隔进行离散；其中，λ表示入射电磁波的波长；
S13、根据射线束在空间中的传播时间因子、射线束的起始位置以及射线束的传播方向，得到射线束的传播方程；
S14、在目标的网格模型的坐标已知的前提下，求出射线束与目标的网格模型的交点；
S15、射线束与目标的网格模型的表面相交之后，其传播方向分别沿目标表面的爬行方向和镜面光学反射方向。
4.如权利要求3所述的电大尺寸隐身目标的爬行波机理研究方法，其特征在于，所述的S2中，当入射电磁波入射到目标凸表面时，求解目标的网格模型表面的短程线的具体步骤为：
S21、入射电磁波入射到目标凸表面时，其与网格单元P0上有第一交点r1，爬行波在目标表面沿方向τ0传播，直至到达相邻的网格单元P1，此时网格单元P0和网格单元P1的相邻棱边上有第二交点r2；
S22、确定第二交点r2与网格单元P1的外法向的切平面n1，将第一交点r1移到第二交点r2处，并经过第一交点r1和切平面n1作平面，求出该平面与网格单元P1的交线，则该交线所在方向即为网格单元P1上的短程线；
S23、循环执行步骤S21～S22，直到爬行波的能量衰减至90％以上，或者爬行波绕目标传播一周。
5.如权利要求4所述的电大尺寸隐身目标的爬行波机理研究方法，其特征在于，所述的S2中，爬行波沿目标表面的切向分量的衰减，以及沿目标表面的爬行分量的传播，均与相邻网格单元间的法向夹角有关；该法向夹角越大，爬行波切向分量的能量越大；反之，则爬行波爬行分量的能量越大。
6.如权利要求1所述的电大尺寸隐身目标的爬行波机理研究方法，其特征在于，所述的S3中，低散射目标的双站散射特性的多散射机理包含镜面散射、边缘绕射、爬行波散射三个方面；其中，镜面散射由物理光学法求解，边缘绕射由边缘绕射法求解，爬行波散射由爬行波算法求解。
7.如权利要求1所述的电大尺寸隐身目标的爬行波机理研究方法，其特征在于，所述的S4中，采用B样条插值法，对电大尺寸目标爬行波的射线追踪路径的控制参数进行优化。
8.如权利要求7所述的电大尺寸隐身目标的爬行波机理研究方法，其特征在于，所述的S4中，电大尺寸目标爬行波的射线追踪路径的控制参数的优化包含：短程线优化、切向幅度优化、爬行传播方向及幅度的优化和射线束数目优化。
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2017
- 2017-09-01 CN CN201710780719.5A patent/CN107621633A/zh active Pending
Patent Citations (3)
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