CN107992676A - 一种运动目标时域散射回波的快速仿真建模方法 - Google Patents
一种运动目标时域散射回波的快速仿真建模方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种运动目标时域散射回波的快速仿真建模方法，包含以下过程：利用时域物理光学法结合时域等效边缘电磁流法完成运动目标的时域电磁回波快速仿真。利用相对论开展目标运动形式的分解和不同运动作用的方法，建立静止和高速运动目标的相对坐标关系，然后将目标与探测器的相对姿态、距离因素考虑到时域算子中，采用相对论原理开展运动目标时域散射回波的分析。本发明具有适应性强、计算精度高，极大的提升了运动目标时域散射回波的求解能力的优点。
Description
技术领域
本发明涉及高速运动目标时域电磁散射特性快速计算技术领域，具体涉及一种运动目标时域散射回波的快速仿真建模方法，以获取相对运动下运动的时域散射场。
背景技术
随着短脉冲通信与超宽带雷达系统在目标探测、目标识别和遥感中的广泛应用，目标时域电磁散射的计算分析成为计算电磁学中的研究热点，时域散射特性分析的优势主要体现在三个方面：一、时域方法通过一次计算即可获取目标的宽频带特性与频域方法相比具有明显的速度优势；二、时域方法处理非线性媒质和时变媒质时更为直接、高效；三、采用时域方法可以更为直观的从瞬态响应结果中理解场的相互作用。尤其是高速运动目标的时域电磁散射特性数据可为军事探测探测和民用安检等提供直接的分析数据，具有重要的应用价值，因此，目标时域方法的巨大优势使得开展时域电磁理论和技术的深入研究显得十分必要。
关莹、龚书喜等在2011年发表在电波科学学报上的非专利文献“时域物理光学法分析均匀介质目标的瞬态散射”提出了将时域物理光学法(TDPO)应用于计算电大均匀介质目标的时域散射场。将菲涅耳反射系数应用到频域物理光学近似中，由逆傅里叶变化推导出介质TDPO的表达式。从而使TDPO能够分析电大均匀介质目标的瞬态响应。同时给出了三角面元建模下入射波的遮挡消隐方法。计算了典型目标的瞬态散射响应和宽带雷达散射截面，与其他方法求得的结构吻合较好，验证了介质TDPO的正确性。
侯海健、李大伟等在2015年发表在电波科学学报上的非专利文献“带电磁带隙结构微带天线的时域溅射特性研究”指出在微带天线上加电磁带隙结构，能够有效减小天线工作频带内的雷达散射截面，目标识别比较困难，利用时域散射波形特性，与频率RCS相结合，实现低RCS目标的测量。采用并行时域有限差分(FDTD)对带EBG结构的微带天线的时域溅射特性研究，分析了其时域散射波形形成机理。
蔡明娟、刘锋等在2007年发表在海军工程大学学报上的非专利文献“三维介质体的时域散射分析”利用时域递推方法求解了电磁场时域耦合积分方程，计算了均匀介质体的表面等效电流和表面等效磁流，得到时域散射远场并给出了详细推导过程。举例比较了将时域散射用Fourier变化后在频域的RCS和频域直接求得的RCS，以说明算法的正确性。
发明内容
本发明的目的是提供一种运动目标时域散射回波的快速仿真建模方法，解决现有技术中运动目标时域电磁散射特性数据获取速度慢、计算精度差的难题，为运动目标时域电磁散射特性数据的获取提供技术手段。
为了实现以上目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种运动目标时域散射回波的快速仿真建模方法，包含以下过程：步骤S1、确定目标的运动方式，对目标运动方式进行分解，对目标的匀速的直线运动进行分析，建立相应的相对速度坐标系，利用相对论原理分析运动对目标时域散射回波的影响。步骤S2、通过测绘获取目标几何外形，通过小贴片单元进行目标外形的网格离散，确定拟合目标整体几何外形的贴片单元组。步骤S3、建立求解目标时域散射回波的算子方程，利用时域物理光学法和时域边缘绕射模型求解运动目标时域散射回波。步骤S4、利用步骤S1中的相对速度坐标系、步骤S2中的目标贴片单元组及步骤S3中的时域散射场求解算子完成运动目标的时域散射场的仿真计算，得到运动目标的回波散射特征。
优选地，所述步骤S2中采用平面三角形单元进行目标几何外形的拟合，满足外形拟合精度的要求，目标平滑结构采用几何面元，大曲率结构采用小贴片单元进行拟合，整体网格数目≤10万。
优选地，所述利用相对论原理分析运动对目标时域散射回波的影响包含以下过程：在t＝0的时刻两坐标系的原点重合，设匀速直线运动的矢量为v，则两坐标系的时间、空间坐标的洛伦兹变换关系为：
式中，β＝v/c，β2＝β·β，α＝I+(γ-1)ββ/β2，I为单位对角矩阵；有坐标变换可知，各电磁场分量对应关系为
E′//＝E// E′⊥＝γ·(E⊥+β×cB⊥)
B′//＝B// cB'⊥＝γ·(B⊥-β×E⊥)
D′//＝D// cD'⊥＝γ·(cD⊥+β×H⊥)
H′//＝H// H′⊥＝γ·(H⊥-β×cD⊥)。
优选地，利用时域物理光学法和时域等效边缘电磁流方法开展时域散射回波的求解包含以下过程：采用时域物理光学法进行求解时，目标表面的感应电流为：
时域表面电流所产生的远区的散射场为：
式中，r为远区场点位置，s为散射方向的单位矢量，τ＝t-r/c+r·s/c为延迟时间，η0为自由空间的波阻抗；
当目标存在较多边缘时，采用时域等效边缘电磁流方法开展时域绕射波仿真，其求解公式为：
式中，各变量参数物理意义与时域物理光学法中涉及的一致。l为棱边长度，β为入射角度和散射角度，D为电场和磁场的绕射系数，仿真过程中将时域等效边缘电磁流方法的求解结果与时域表面电流所产生的远区的散射场进行矢量迭代得到时域散射回波数据。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
本发明利用相对论思想对运动目标的运动状态进行了分解，考虑了运动对目标时域散射回波的影响；对运动过程中的时域散射回波算子进行了修正，提供了求解精度。该方法具有物理概念清晰、代码移植性高等特点。
附图说明
图1为本发明一种运动目标时域散射回波的快速仿真建模方法的流程图；
图2为运动目标分解后的相对坐标系；
图3为本发明一个实施例中目标模型和贴片拟合模型示意图；
图4为本发明一个实施例中的时域散射波形示意图；
具体实施方式
以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。
如图1所示，本发明一种运动目标时域散射回波的快速仿真建模方法，包含以下过程：
步骤S1、在确定了目标的运动方式之后，将目标运动方式进行分解，对目标的高速匀速的直线运动等进行精确的分析，建立相应的相对坐标系，然后在利用相对论原理分析运动对目标时域散射回波的影响；
假设存在坐标系∑，建立一相对坐标系∑做匀速直线运动的坐标系∑’，在t＝0的时刻两坐标系的原点重合。设匀速直线运动的矢量为v，则两坐标系的时间、空间坐标的洛伦兹变换关系为：
式中，β＝v/c，β2＝β·β，α＝I+(γ-1)ββ/β2，I为单位对角矩阵，r为远区场点位置。
有物理规律的协变性，确定了在惯性系中麦克斯韦方程具有相同的形式，但各电磁分量变化。有坐标变换可知，不同变量的偏微分关系如下：
将洛伦兹变换关系带入偏微分关系式，化简、整理可得到：
将式(3)变换关系带入麦克斯韦方程组，整理可得到各电磁场分量对应关系：
式(4)表明：在坐标系∑’中，麦克斯韦方程具有与参考坐标系∑相同的形式，但是各电磁分量具有(4)的变换关系。
S2、通过测绘获取目标几何外形，然后通过小贴片单元进行目标外形的网格离散，确定拟合目标整体几何外形的贴片单元组,，如图3所示。在不改变目标几何外形尺寸的前提下尽可能的采用大面片单元进行目标几何外形的离散。在离散过程中应确保目标表面离散网格贴片的法向是正确的。
S3、建立求解目标时域散射回波的算子方程，利用时域物理光学法和时域边缘绕射模型(TDEEC)求解运动目标时域散射回波。在运动过程中，电磁波直接照射到的目标贴片单元是变化的，在复杂目标的时域电磁散射数据分析中仅考虑直接照射明区及边缘散射的影响；
TDPO不考虑目标的耦合作用，认为目标表面感应电流至于该处的入射电磁场有关，在入射电磁波直接照射到目标的区域定义为明确，否则为阴影区。TDPO假定目标表面的感应电流为：
时域表面电流所产生的远区的散射场即为感应电流与格林函数的表面积分：
式中，r为远区场点位置，s为散射方向的单位矢量，τ＝t-r/c+r·s/c为延迟时间，η0为自由空间的波阻抗。
当目标存在较多边缘时，绕射场的分析将对目标回波的计算精度起到至关重要的作用。因此在复杂动目标时域电磁散射计算时，必须对绕射作用进行分析。本发明采用TDEEC开展时域绕射波仿真，TDEEC的求解公式为：
式中，各变量参数物理意义与TDPO一致。l为棱边长度，β为入射角度和散射角度。D为电场和磁场的绕射系数。仿真过程中将TDEEC的贡献与TDPO的贡献进行矢量迭代可得到时域散射回波数据。
S4、利用S1中的相对坐标系、S2中的目标贴片单元组及S3中的时域散射场求解算子完成高速运动目标的时域散射场快速仿真计算，得到运动目标的回波散射特征。
本算例中采用脉宽为0.1ns的高斯脉冲信号作为入射激励源，探测器与目标相对速度为600m/s，在目标坐标系中，探测器位置为俯仰60°，方位0°，距离500m。仿真得到的目标时域散射回波如图4所示。
综上所述，本发明公布了一种运动目标时域散射回波的快速仿真建模技术，利用时域物理光学法结合时域等效边缘电磁流法完成运动目标的时域电磁回波快速仿真。利用相对论的思想开展目标运动形式的分解和不同运动作用的方法，建立静止和高速运动目标的相对坐标关系，然后将目标与探测器的相对姿态、距离因素考虑到时域算子中，采用相对论原理开展运动目标时域散射回波的分析。本发明适应性强、计算精度高，极大的提升了运动目标时域散射回波的求解能力。
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 (4)
1.一种运动目标时域散射回波的快速仿真建模方法，其特征在于，包含以下过程：
步骤S1、确定目标的运动方式，对目标运动方式进行分解，对目标的匀速的直线运动进行分析，建立相应的相对速度坐标系，利用相对论原理分析运动对目标时域散射回波的影响；
步骤S2、通过测绘获取目标几何外形，通过小贴片单元进行目标外形的网格离散，确定拟合目标整体几何外形的贴片单元组；
步骤S3、建立求解目标时域散射回波的算子方程，利用时域物理光学法和时域边缘绕射模型求解运动目标时域散射回波；
步骤S4、利用步骤S1中的相对速度坐标系、步骤S2中的目标贴片单元组及步骤S3中的时域散射场求解算子完成运动目标的时域散射场的仿真计算，得到运动目标的回波散射特征。
2.如权利要求1所述的一种目标时域散射回波的快速仿真建模方法，其特征在于，所述步骤S2中采用平面三角形单元进行目标几何外形的拟合，满足外形拟合精度的要求，目标平滑结构采用几何面元，大曲率结构采用小贴片单元进行拟合，整体网格数目≤10万。
3.如权利要求1所述的一种目标时域散射回波的快速仿真建模方法，其特征在于，所述利用相对论原理分析运动对目标时域散射回波的影响包含以下过程：
在t＝0的时刻两坐标系的原点重合，设匀速直线运动的矢量为v，则两坐标系的时间、空间坐标的洛伦兹变换关系为：
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式中，β＝v/c，β2＝β·β，α＝I+(γ-1)ββ/β2，I为单位对角矩阵；有坐标变换可知，各电磁场分量对应关系为
E′//＝E//E′⊥＝γ·(E⊥+β×cB⊥)
B′//＝B//cB′⊥＝γ·(B⊥-β×E⊥)
D′//＝D//cD′⊥＝γ·(cD⊥+β×H⊥)
H′//＝H//H′⊥＝γ·(H⊥-β×cD⊥)。
4.如权利要求3所述的一种目标时域散射回波的快速仿真建模方法，其特征在于，利用时域物理光学法和时域等效边缘电磁流方法开展时域散射回波的求解包含以下过程：采用时域物理光学法进行求解时，目标表面的感应电流为：
时域表面电流所产生的远区的散射场为：
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式中，r为远区场点位置，s为散射方向的单位矢量，τ＝t-r/c+r·s/c为延迟时间，η0为自由空间的波阻抗；
当目标存在较多边缘时，采用时域等效边缘电磁流方法开展时域绕射波仿真，其求解公式为：
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式中，各变量参数物理意义与时域物理光学法中涉及的一致。l为棱边长度，β为入射角度和散射角度，D为电场和磁场的绕射系数，仿真过程中将时域等效边缘电磁流方法的求解结果与时域表面电流所产生的远区的散射场进行矢量迭代得到时域散射回波数据。
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