CN108614251A - 多涂覆目标的雷达散射截面可视化计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多涂覆目标的雷达散射截面可视化计算方法，属于雷达应用领域，该方法包括以下步骤：步骤1，利用3ds Max软件建立多涂覆目标模型；步骤2，对多涂覆目标模型进行网格细分；步骤3，导出3DS文件格式模型；步骤4，对多涂覆目标模型进行读取；步骤5，计算多涂覆目标模型的雷达散射截面积，并进行可视化显示。当计算涂覆材料异常多的目标时，本发明的雷达散射截面计算方法更为简单，对隐身和反隐身的研究有一定的工程应用价值。

Description

多涂覆目标的雷达散射截面可视化计算方法

技术领域

本发明属于雷达应用领域，具体涉及一种多涂覆目标的雷达散射截面可视化计算方法。

背景技术

雷达隐身技术的核心是降低目标的雷达散射截面(RCS)。其技术途径主要有两种，一种是通过目标的外形设计减小其有效散射截面；另一种方法就是利用雷达吸波材料，人们常常在目标表面使用雷达吸波材料使目标自身对电磁波产生衰减作用，以降低其RCS。

雷达吸波材料，简称RAM(Radar Absorbing Material)。RAM主要可以划分为结构型吸波材料和涂覆型吸波材料两大类。其中，涂覆型吸波材料降低目标RCS的原理是：将吸收剂与黏合剂混合后均匀涂覆于目标表面，形成电磁波吸收涂层来吸收电磁波。涂覆型吸波材料具有很多优点，如材料易得，涂覆方式方便、灵活，吸收性能好等，因而被广泛使用于世界上几乎所有的隐身装备上。整形虽然非常有效但只能使RCS在一定的入射方向上缩减，而有些角度其RCS值还会增大，过分强调外形隐身必然会引起飞机的机动性和敏捷性降低，而涂覆吸波材料技术在基本不影响飞行性能的情况下缩减了目标的RCS。因此在雷达引信和反隐身研究中对复杂目标的局部或全部，单层或多层涂覆RAM的RCS分析显得尤为重要。

现有技术在计算目标的RCS时，常采用图形电磁学方法(GRECO)，图形电磁学方法利用Phong光照模式来获取目标表面各点法向矢量，然而该方法只能处理目标表面单一涂覆的情况。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多涂覆目标的雷达散射截面可视化计算方法。

实现本发明目的的技术方案为：一种多涂覆目标的雷达散射截面可视化计算方法，包括以下步骤：

步骤1，利用3ds Max软件建立多涂覆目标模型；

步骤2，对多涂覆目标模型进行网格细分；

步骤3，导出3DS文件格式模型；

步骤4，对多涂覆目标模型进行读取；

步骤5，计算多涂覆目标模型的雷达散射截面积，并进行可视化显示。

与现有技术相比，本发明的显著优点为：

(1)当计算涂覆材料异常多的目标时，本发明方法的计算过程更为简单；

(2)本发明便于研究不同部位涂覆参数的变化对目标雷达散射截面积的影响。

附图说明

图1为本发明多涂覆目标的RCS可视化计算方法流程框图。

图2为目标表面材料及涂覆参数定义文件格式示意图。

图3为某巡航导弹可视化显示结果示意图。

图4为纯导体和多涂覆导弹RCS的计算结果示意图。

具体实施方式

结合图1，本发明的一种多涂覆目标的雷达散射截面可视化计算方法，，包括以下步骤：

步骤1，利用3ds Max软件建立多涂覆目标模型；

步骤2，对多涂覆目标模型进行网格细分；

步骤3，导出3DS文件格式模型；

步骤4，对多涂覆目标模型进行读取；

步骤5，计算多涂覆目标模型的雷达散射截面积，并进行可视化显示。

进一步的，步骤1中采用Polygon建模法建立多涂覆目标模型，具体为：

将一个建好的标准体转化为可编辑的多边形对象，可编辑多边形对象包含节点、边、边界、多边形和元素5种子对象模式；

通过对这些子对象进行编辑，将标准体转化为多涂覆目标的组成部分。

进一步的，步骤2中利用3ds Max提供的面元细分功能细分多涂覆目标模型。

进一步的，步骤3中导出的3DS文件模型中包含计算雷达散射截面所需面元的几何数据。

进一步的，步骤4具体过程为：

步骤4-1，自定义一个与多涂覆目标模型同名的数据文件(*.INI)，文件内包含三个模块：材料编号说明、材料编号以及材料对应的涂覆参数；

步骤4-2，在3ds Max中将多涂覆目标不同的部位定义成不同的object对象，组成对象列表；分别对顶点、面元结构按照3DS文件结构进行定义；

步骤4-3，采用递归的方法解析3DS文件的同时，通过读取*.INI文件，获取多涂覆目标不同部位的材料编号说明、材料编号以及材料对应的涂覆参数。

进一步的，步骤5具体过程为：

步骤5-1，对步骤4读取的信息进行数据处理，包括坐标系转换和顶点法向量的计算；通过OpenGL对多涂覆目标进行绘制；

步骤5-2，基于斯特拉顿-朱兰积分方程和物理光学法，雷达散射截面定义为如下复数量：

式中，为雷达散射截面的平方根，R为目标到雷达接收机的距离，为目标的散射电场，E_o为入射波的电场强度，表示接收装置电场极化方向的单位矢量，k为波数。

代入Stratton-Chu积分方程积分方程，得到RCS平方根的物理光学法表达式：

式中，s为散射体的照亮区，为表面外法相矢量，为场点的位置矢量，为散射方向的单位矢量，为入射方向的单位矢量，为磁场的极化方向；

步骤5-3，由步骤5-2中面元的RCS计算公式加入对应的涂覆参数进行矢量叠加，得到多涂覆目标的雷达散射截面积；

步骤5-4，在C++Builder中使用T-chart控件显示不同视角的计算结果。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例

一种多涂覆目标的雷达散射截面可视化计算方法，包括以下步骤：

步骤1，利用3ds Max软件根据多涂覆目标的实际尺寸建立其模型示意图，主要采用Polygon建模法其大致步骤如下：首先将一个建好的标准体转化为可编辑的多边形对象，转化的可编辑多边形对象又包含了Vertex(节点)、Edge(边)、Border(边界)、Polygon(多边形)、Element(元素)5种子对象模式，通过对这些子对象进行编辑，可将标准型转化为多涂覆目标的组成部分。

步骤2，利用3ds Max提供的面元细分功能细分多涂覆目标表面模型。

步骤3，导出3DS文件，此内包含了计算所需面元的几何数据。

步骤4，完成对多涂覆目标模型的读取

数据存储方式：从3DS文件中提取的数据都是保存在一个个类中的，这样使得在建模的过程，使用数据时更加方便，我们可以直接找到相应的类，然后直接提取需要的数据，这为目标模型的建模提供了很大的方便。

针对每个典型目标分别建立目标几何模型文件(*.3DS)，其文件结构由“块”组成，而“块”又由ID和长度两部分组成，为此，“块”的定义如下：

在读取数据时将目标数据组织成一个二维数组object*INIt_obj[Max_file]，目标不同的部位定义成不同的object对象，组成对象列表。object类定义了一个具体目标的数据结构，object类声明如下：

对象的顶点列表是一个指向vtlist的二维指针，vtlist类声明如下：

面元结构可以定义如下：

由于上面的类是按照3DS文件结构的特点进行定义的，其结构简洁明了。解析3DS文件时，将解析所得数据类的结构存储在链表中，可以随时供用户使用。这样一来，提取目标模型数据时，可以直接从链表中读取所需数据，大大简化建模工作的复杂性。

3DS文件读取流程：3DS的块结构是固定、套嵌的，因此，可以用递归的方法来读取。用当前已经读入的块的字节数是否等于块的长度作为返回上一级的条件。从父块向子块跳转则可以用switch语句实现，通过子块的ID判断进入哪个子块分支。如果通过ID判断该块为不需要的信息，将文件指针向前移动(块长度-6)个字节，然后break跳过该块，去处理下一块。如果该块是需要读取的块，则利用上述介绍的基本数据结构给其分配一块空白的结构，然后在通过递归函数读取相应的数据。当对主块的数据读入完毕后，整个读取3DS文件的过程也就结束了。

自定义一个与目标几何模型同名的数据文件(*.INI)，文件内包含三个模块：材料编号说明、材料编号、材料对应的涂覆参数。

以图2所示的目标表面材料定义文件为例，RCS仿真计算时首先读取目标三维几何模型数据(*.3DS)，根据目标三维几何模型数据中关于目标部件划分的情况，将目标的所有部件存放在一个名为object的对象链表中，软件中通过object->name就可以得到目标各个部位的名称。如图2所示，目标一共被分成了7个部位，每个部位的名称分别是：机身、发动机、机翼1、机翼2、水平尾翼1、水平尾翼2、垂直尾翼。然后根据目标各部位的名称在目标表面材料定义文件(*.INI)中查询对应的材料编号，再根据材料编号在目标表面材料定义文件中查询材料编号说明，并分别将每个部位的材料编号、材料编号说明和涂覆参数存放到面元信息列表中，由此即可获得目标不同部位各面元的表面材料定义和涂覆参数。

步骤5，计算多涂覆目标模型的雷达散射截面积，并进行可视化显示。

1)从3DS文件中获取信息后，对其进行相应的数据处理，主要包括坐标系转换和顶点法向量的计算；通过OpenGL的渲染和交互控制功能对涂覆目标进行绘制。

2)基于斯特拉顿-朱兰(Stratton-Chu)积分方程和物理光学法的基本思想，雷达散射截面可定义为如下复数量：

式中，为雷达散射截面的平方根，R为目标到雷达接收机的距离，为目标的散射电场，E_o为入射波的电场强度，表示接收装置电场极化方向的单位矢量，k为波数。

代入Strtton-Chu积分方程，得到RCS平方根的物理光学法表达式：

式中，s为散射体的照亮区，为表面外法相矢量，为场点的位置矢量，为散射方向的单位矢量，为入射方向的单位矢量，为磁场的极化方向；

3)由上一步中面元的RCS计算公式加入对应的涂覆参数进行矢量叠加，得到多涂覆目标的雷达散射截面积；

4)在C++Builder中使用T-chart控件显示不同视角的计算结果。

如图1、图3所示，以某巡航导弹为例，多涂覆目标的RCS可视化计算方法包括：

(1)首先使用3ds Max 2010画出和要求尺寸相符的某巡航导弹模型，并对模型进行网格细分，最后以文本(*.3DS)格式保存。

(2)在C++Builder 6.0开发环境下编写出RCS计算程序，并可以实现对目标模型的可视化显示。

(3)设置与某文献相同参数条件下通过软件分别导入某巡航导弹纯导体和多涂覆目标模型，并计算其RCS，计算结果显示在同一坐标平面。

(4)通过和文献实验结果的比较，验证其算法的准确性。

本发明基于物理光学法，在C++Builder中实现对多涂覆目标3DS格式文件中目标数据的提取，针对多涂覆目标不同部位涂覆了不同的RCS吸收材料的特点，自定义一个与目标几何模型同名的数据文件(*.INI)，文件内包含三个模块：材料编号说明、材料编号、材料对应的涂覆参数。通过对3ds文件和自定义数据文件(*.INI)的读取，完成对多涂覆目标RCS的可视化计算。从图4可以看出多涂覆目标的RCS有明显下降。

Claims (6)

1.一种多涂覆目标的雷达散射截面可视化计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，利用3ds Max软件建立多涂覆目标模型；

步骤2，对多涂覆目标模型进行网格细分；

步骤3，导出3DS文件格式模型；

步骤4，对多涂覆目标模型进行读取；

步骤5，计算多涂覆目标模型的雷达散射截面积，并进行可视化显示。

2.根据权利要求1所述的多涂覆目标的雷达散射截面可视化计算方法，其特征在于，步骤1中采用Polygon建模法建立多涂覆目标模型，具体为：

将一个建好的标准体转化为可编辑的多边形对象，可编辑多边形对象包含节点、边、边界、多边形和元素5种子对象模式；

通过对这些子对象进行编辑，将标准体转化为多涂覆目标的组成部分。

3.根据权利要求1所述的多涂覆目标的雷达散射截面可视化计算方法，其特征在于，步骤2中利用3ds Max提供的面元细分功能细分多涂覆目标模型。

4.根据权利要求1所述的多涂覆目标的雷达散射截面可视化计算方法，其特征在于，步骤3中导出的3DS文件模型中包含计算雷达散射截面所需面元的几何数据。

5.根据权利要求1所述的多涂覆目标的雷达散射截面可视化计算方法，其特征在于，步骤4具体过程为：

步骤4-1，自定义一个与多涂覆目标模型同名的数据文件(*.INI)，文件内包含三个模块：材料编号说明、材料编号以及材料对应的涂覆参数；

步骤4-2，在3ds Max中将多涂覆目标不同的部位定义成不同的object对象，组成对象列表；分别对顶点、面元结构按照3DS文件结构进行定义；

步骤4-3，采用递归的方法解析3DS文件的同时，通过读取*.INI文件，获取多涂覆目标不同部位的材料编号说明、材料编号以及材料对应的涂覆参数。

6.根据权利要求1所述的多涂覆目标的雷达散射截面可视化计算方法，其特征在于，步骤5具体过程为：

步骤5-1，对步骤4读取的信息进行数据处理，包括坐标系转换和顶点法向量的计算；通过OpenGL对多涂覆目标进行绘制；

步骤5-2，基于斯特拉顿-朱兰积分方程和物理光学法，雷达散射截面定义为如下复数量：

式中，为雷达散射截面的平方根，R为目标到雷达接收机的距离，为目标的散射电场，E_o为入射波的电场强度，表示接收装置电场极化方向的单位矢量。

代入Stratton-Chu积分方程积分方程，得到RCS平方根的物理光学法表达式：

式中，s为散射体的照亮区，为表面外法相矢量，为场点的位置矢量，为散射方向的单位矢量，为入射方向的单位矢量，为磁场的极化方向；

步骤5-3，由步骤5-2中面元的RCS计算公式加入对应的涂覆参数进行矢量叠加，得到多涂覆目标的雷达散射截面积；

步骤5-4，在C++Builder中使用T-chart控件显示不同视角的计算结果。