CN108090255B - 一种计算等离子体覆盖目标电磁散射的高低频混合方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种计算等离子体覆盖目标电磁散射的高低频混合算法，利用高频射线传输理论记录在有限次数下的射线传播经过的网格强互藕单元，然后利用低频数值算法开展强互藕单元间的电磁场耦合计算，得到等离子体覆盖目标的电磁散射特性，实现等离子体覆盖目标的电磁散射特性的高效仿真计算。本发明适应性强、本发明适应性强、观点新颖，极大的提高了等离子体覆盖目标电磁散射特性的计算效率，为研究等离子体及其覆盖目标的电磁散射特性提供了有效技术手段。

Description

一种计算等离子体覆盖目标电磁散射的高低频混合方法
技术领域
本发明涉及等离子体覆盖目标电磁散射特性高效快速算法，具体为一种计算等离子体覆盖目标电磁散射的高低频混合高效算法。
背景技术
等离子体是气体或液体电离形成的第四态物质，是自由电子和自由离子以及其他中性粒子组成的一种介质，它具有密度近似相等的自由电子和正离子，还有少量负离子，可实现电磁波的有效吸收。作为一种有效的隐身技术手段，等离子体隐身技术受到世界各军事强国的广泛关注，成为隐身技术研究中的一个十分活跃的分支。
等离子体隐身技术具有吸波频带宽、吸收率高、使用简便、使用时间长、价格便宜等优点，应用于隐身飞机时可通过开关快速的实现等离子体的产生和消失，在不改变飞行器外形的条件下实现目标隐身，不影响飞行器的飞行性能。通过等离子体对雷达波的吸收和折射特性，使得反射到雷达接收机的能量很少，降低敌方探测系统的灵敏度和性能。
今年来，临近空间的开发受到各国的高度重视，对我国防空能力提出了新的挑战，急需开展等离子体覆盖目标电磁散射特性研究，制导防空反导武器系统的设计和研制，保护国民生产安全。
马平、石安华等在2015年发表在强激光与粒子束上的非专利文献“再入体缩比模型湍流等离子体电磁散射特性测量”介绍了在弹道靶上利用二级轻气炮发射再入体缩比模型开展湍流等离子体电磁散射特性模拟试验方法、湍流等离子体的雷达散射截面测量方法，给出了模型尾迹湍流等离子体的电磁散射特性测量典型试验结果，对获得试验结果进行了分析，并与一阶畸变波 Born方法计算结果进行了对比。
阳开华、张晓钟等在2016年发表在非专利文献“等离子体在腔体罩中的分布及电磁散射特性研究”针对飞行器强散射源通常具有密闭腔体的特点，提出采用高密度等离子体实现隐身的技术措施。通过对密闭腔体内等离子体分布及电磁散射特性的数学建模及计算研究。结果表明，采用等离子体隐身的腔体结构能显著降低目标体的雷达散射截面。
王卫民、张艺瀚等在2014年发表在高电压技术上的非专利文献“等离子体覆盖金属目标的电磁散射特性”提出了一种分段线性递归卷积时域有限差分(PLRC-FDTD)算法及其在MPI+openMP并行计算模型中的高效实现方法，对不同等离子体参数和入射电磁波参数条件下等离子体覆盖金属目标的电磁散射特性进行了仿真计算。结果表明：当等离子体频率与入射波频率相近时，共振吸收占主导，反射率最低；等离子体层越厚，对电磁波的吸收越明显；对于特定参数的入射电磁波，可通过改变等离子体参数的方法来实现对电磁波的有效吸收，从而实现目标的主动隐身。
发明内容
本发明的目的是提供一种计算等离子体覆盖目标电磁散射的高低频混合算法，解决现有技术中等离子体覆盖目标电磁散射特性计算能力不足的难题，为等离子体覆盖目标的电磁散射特性研究提供技术手段和数据支撑。
为了实现以上目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种计算等离子体覆盖目标电磁散射的高低频混合算法，其特点是，该算法包含如下步骤：
S1，根据覆盖目标的等离子体电子密度、碰撞频率建立等离子分层网格模型，所述等离子分层网格模型为电磁散射特性计算提供几何输入；
S2，依据入射电磁波频率及方向对S1中的等离子分层网格模型开展高频射线追踪，在满足一定采用密度的前提下获取等离子分层网格模型中的互藕网格树形结构；
S3、在S1的等离子分层网格模型上定义局部电磁流拟合基函数，将等离子体及覆盖目标的感应电磁流利用局部基函数进行展开，然后利用低频电磁场积分方程建立矩阵方程，最后针对电磁场积分方程开展求解，获取等离子体及覆盖目标的感应电磁流分布；
S4、利用S3中得到的等离子体及覆盖目标的感应电磁流获取空间电磁场分布，得到等离子体覆盖目标的电磁散射特征。
所述的等离子分层网格模型厚度不超过入射电磁波1/6波长，在其分层面上利用贴片进行网格剖分，贴片尺寸不大于1/5波长，相邻分层间的贴片是相同的。
在所述入射电磁波平面上上采用射线束分集，单个方向上的射线束选用密度不低于入射电磁波1/10波长。
所述的步骤S2中开展高频射线追踪时同时开展反射方向和透射方向的射线追踪，对经过的分层贴片进行树形分组，当射线追踪强度衰减到1/10以下时，则停止射线追踪。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
本发明一种计算等离子体覆盖目标电磁散射的高低频混合高效算法与现有技术相比具有以下优点：有效利用高频射线传输理论获取等离子体及目标本身的强耦合元素开展计算，而不是以往的采用全部矩阵元素填充的方式，有效的节省计算资源，同时减少计算时间，提高等离子体覆盖目标的电磁散射特性，实现等离子体覆盖目标的电磁特征提取及数据获取。
附图说明
图1为本发明一种计算等离子体覆盖目标电磁散射的高低频混合算法的流程图；
图2为实施例中等离子体覆盖目标模型；
图3为实施例中高频射线束经过介质交界面时的传播路径；
图4为实施例在三棱柱高度维上采用的三角基函数。
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，一种计算等离子体覆盖目标电磁散射的高低频混合算法，该算法包含如下步骤：
S1，根据覆盖目标的等离子体电子密度、碰撞频率建立等离子分层网格模型，所述等离子分层网格模型为电磁散射特性计算提供几何输入；
参见图2仿真模型为简单金属圆柱，半径为0.2m，高度为1m。等离子体共两层，外层等离子体角频率为28.7GHz，等离子体电子碰撞频率为30GHz，等离子体厚度为1cm。内层等离子体角频率为15GHz，等离子体电子碰撞频率为20GHz，厚度为0.5cm。对于非磁化等离子体，其频域复介电常数为：
Figure BDA0001487792410000041
式中，
Figure BDA0001487792410000042
为等离子体角频率，
Figure BDA0001487792410000043
为入射电磁波频率，υ为电子碰撞频率，ε0为真空介电常数，
Figure BDA0001487792410000047
为电极化率，j为虚数单位。由此，可将等离子体等效为介质，等效介质的介电常数为0.18-2.47j，0.55-0.90j。然后对目标进行网格剖分，本例中选用三棱柱模型开展等离子体层的网格剖分，三棱柱的底边长度为1/6波长，高度为1/10波长。
S2，依据入射电磁波频率及方向对S1中的等离子分层网格模型开展高频射线追踪，在满足一定采用密度的前提下获取等离子分层网格模型中的互藕网格树形结构，入射电磁波频率为10GHz，入射方向为：θ＝90°,φ＝0°。；
对S1中的分层网格模型利用高频射线追踪方法开展强互藕单元树分组，在入射电磁波方向的处置面上建立入射平面，然后利用一束等距离的相互平行的射线来模拟电磁波的照射，电磁波的入射方向为：
Figure BDA0001487792410000044
射线束在等离子体内部进行传播和反射，在同一条射线束上，将射线束的反射能量和透射能量在消耗20％以内经过的网格建立树形结构，利用高频电磁波传播的局部效应仅考虑树形结构上的电磁波互藕作用。为确定射线束的传播方向，本算例中将电磁波射线束按照光的直线传播定理进行处理，假设电磁波从r0(x0,y0,z0)射出，沿着
Figure BDA0001487792410000045
传播，则沿着射线传播方向上的任意处的坐标为：
Figure BDA0001487792410000046
式中，t为射线在空间的传播时间。由于等离子体为有耗介质，射线束传播一定时刻后能量帅将较大，本例仅考虑电磁波传播或透射能量衰减量在 20％以下的网格组建立树形结果。同时射线束在介质表面仅考虑反射和透射两种形式，如图3所示。
S3、在S1的等离子分层网格模型上定义局部电磁流拟合基函数，将等离子体及覆盖目标的感应电磁流利用局部基函数进行展开，然后利用低频电磁场积分方程建立矩阵方程，最后针对电磁场积分方程开展求解，获取等离子体及覆盖目标的感应电磁流分布；其中等离子体中采用体积分方程，目标表面采用面积分方程，介质体内部采用体积分方程。对于建立的矩阵方程采用最小余量残差算法(Gmres)开展电磁场求解。
如图4所示，本发明在三棱柱上定义局部基函数，三棱柱的底边采用通常的平面三角形的RWG基函数，具体为：
Figure BDA0001487792410000051
其中，r为三角形贴片内部的位置矢量，ρ为三角形的边对应的顶点到r的位置矢量，±为RWG基函数对应的两个三角形贴片。对于单个三角形上的边，则直接忽略。在三棱柱的棱柱方向上定义三角基函数，具体为：
Figure BDA0001487792410000052
式中，x为三棱柱不同高度位置，xn-1、xn、xn+1为相邻三棱柱在高度方向的节点位置量。单个三棱柱的局部基函数为地面三角形维度和高度维上基函数的乘积。然后利用有耗媒质中的电磁场矩量法公式开展迭代计算，获取等离子体覆盖目标上的感应电磁流分布。由于等离子体等效介质网格数据巨大，本算例中的基函数数目为569321个，常规矩量法难以在有限的时间和内存空间上解决。采用本发明方法可有效降低阻抗矩阵计算个数，提高计算效率。
S4、利用S3中得到的等离子体及覆盖目标的感应电磁流获取空间电磁场分布，得到等离子体覆盖目标的电磁散射特征，在具体实施例中通过电磁场散射方程获取入射电磁场激励下等离子体覆盖目标的空间电磁场散场分布。
综上所述，本发明一种计算等离子体覆盖目标电磁散射的高低频混合算法，解决现有技术中等离子体覆盖目标电磁散射特性计算能力不足的难题，为等离子体覆盖目标的电磁散射特性研究提供技术手段和数据支撑。
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)

1.一种计算等离子体覆盖目标电磁散射的高低频混合方法，其特征在于，该方法包含如下步骤：
S1，根据覆盖目标的等离子体电子密度、碰撞频率建立等离子分层网格模型，所述等离子分层网格模型为电磁散射特性计算提供几何输入；
S2，依据入射电磁波频率及方向对S1中的等离子分层网格模型开展高频射线追踪，在满足一定采用密度的前提下获取等离子分层网格模型中的互藕网格树形结构；
S3、在S1的等离子分层网格模型上定义局部电磁流拟合基函数，将等离子体及覆盖目标的感应电磁流利用局部基函数进行展开，然后利用低频电磁场积分方程建立矩阵方程，最后针对电磁场积分方程开展求解，获取等离子体及覆盖目标的感应电磁流分布；
S4、利用S3中得到的等离子体及覆盖目标的感应电磁流获取空间电磁场分布，得到等离子体覆盖目标的电磁散射特征。
2.如权利要求1所述的计算等离子体覆盖目标电磁散射的高低频混合方法，其特征在于，所述的等离子分层网格模型厚度不超过入射电磁波1/6波长，在其分层面上利用贴片进行网格剖分，贴片尺寸不大于1/5波长，相邻分层间的贴片是相同的。
3.如权利要求2所述的计算等离子体覆盖目标电磁散射的高低频混合方法，其特征在于，在所述入射电磁波平面上上采用射线束分集，单个方向上的射线束选用密度不低于入射电磁波1/10波长。
4.如权利要求3所述的计算等离子体覆盖目标电磁散射的高低频混合方法，其特征在于，所述的步骤S2中开展高频射线追踪时同时开展反射方向和透射方向的射线追踪，对经过的分层贴片进行树形分组，当射线追踪强度衰减到1/10以下时，则停止射线追踪。
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