CN109711044A - 一种模拟雷达散射截面面积的平面波间断有限元方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于雷达散射截面技术领域，公开了一种模拟雷达散射截面面积的平面波间断有限元方法，通过供电模块为模拟雷达系统供电操作；通过按键操作模块利用操作按键对雷达进行控制操作；主控模块通过电波发射模块利用发射机发射无线电磁波；通过电波接收模块利用接收天线接收返回的电磁波；通过散射截面计算模块利用数据计算程序计算雷达散射截面面积；通过电磁仿真模块利用仿真程序对雷达电磁波进行仿真操作。本发明大大减轻了建模的复杂度；采用了判断面元法向矢量与电磁波入射方向矢量数量积是否小于零的方法，简化了计算，节省了计算时间；通过电磁仿真模块模型离散拟合精确高；计算复杂度和内存消耗低；计算精度可控；稳定性好。
Description
技术领域
本发明属于雷达散射截面技术领域，尤其涉及一种模拟雷达散射截面面积的平面波间断有限元方法。
背景技术
雷达是利用电磁波探测目标的电子设备。雷达发射电磁波对目标进行照射并接收其回波，由此获得目标至电磁波发射点的距离、距离变化率(径向速度)、方位、高度等信息。雷达散射截面(Radar Cross section,缩写RCS)是雷达隐身技术中最关键的概念，它表征了目标在雷达波照射下所产生回波强度的一种物理量。雷达散射截面又称后向散射截面，是雷达入射方向上目标散射雷达信号能力的度量,用入射场的功率密度归一化表示。RCS是指雷达入射方向上单位立体角内返回散射功率与目标截状的功率密度之比。雷达设备的发射机通过天线把电磁波能量射向空间某一方向，处在此方向上的物体反射碰到的电磁波；雷达天线接收此反射波，送至接收设备进行处理，提取有关该物体的某些信息(目标物体至雷达的距离，距离变化率或径向速度、方位、高度等)。测量速度原理是雷达根据自身和目标之间有相对运动产生的频率多普勒效应。雷达接收到的目标回波频率与雷达发射频率不同，两者的差值称为多普勒频率。从多普勒频率中可提取的主要信息之一是雷达与目标之间的距离变化率。当目标与干扰杂波同时存在于雷达的同一空间分辨单元内时，雷达利用它们之间多普勒频率的不同能从干扰杂波中检测和跟踪目标。测量目标方位原理是利用天线的尖锐方位波束，通过测量仰角靠窄的仰角波束，从而根据仰角和距离就能计算出目标高度。然而，现有雷达散射截面面积计算效率低；同时，现有模拟仿真雷达时，当仿真规模较大，会造成现有计算机硬件配置难以承受；稳定性差，模拟精度差。
综上所述，现有技术存在的问题是：
现有雷达散射截面面积计算效率低；
同时，现有模拟仿真雷达时，当仿真规模较大，会造成现有计算机硬件配置难以承受；
稳定性差，模拟精度差。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种模拟雷达散射截面面积的平面波间断有限元方法。
本发明是这样实现的，一种模拟雷达散射截面面积的平面波间断有限元系统包括：
供电模块、按键操作模块、主控模块、电波发射模块、电波接收模块、散射截面计算模块、电磁仿真模块、显示模块；
供电模块，与主控模块连接，用于为模拟雷达系统供电操作；
按键操作模块，与主控模块连接，用于通过操作按键对雷达进行控制操作；
主控模块，与供电模块、按键操作模块、电波发射模块、电波接收模块、散射截面计算模块、电磁仿真模块、显示模块连接，用于通过单片机控制各个模块正常工作；
电波发射模块，与主控模块连接，用于通过发射机发射无线电磁波；
电波接收模块，与主控模块连接，用于通过接收天线接收返回的电磁波；
散射截面计算模块，与主控模块连接，用于通过数据计算程序计算雷达散射截面面积；
电磁仿真模块，与主控模块连接，用于通过仿真程序对雷达电磁波进行仿真操作；
显示模块，与主控模块连接，用于通过显示器显示模拟雷达散射截面面积的平面波间断有限元系统界面及计算数据、测试数据信息。
本发明的另一目的在于提供一种模拟雷达散射截面面积的平面波间断有限元方法包括以下步骤：
步骤一，通过供电模块为模拟雷达系统供电操作；通过按键操作模块利用操作按键对雷达进行控制操作；
步骤二，主控模块通过电波发射模块利用发射机发射无线电磁波；
步骤三，通过电波接收模块利用接收天线接收返回的电磁波；
步骤四，通过散射截面计算模块利用数据计算程序计算雷达散射截面面积；
步骤五，通过电磁仿真模块利用仿真程序对雷达电磁波进行仿真操作；
步骤六，通过显示模块利用显示器显示模拟雷达散射截面面积的平面波间断有限元系统界面及计算数据、测试数据信息。
进一步，所述散射截面计算模块计算方法如下：
(1)对雷达供电，启动发射机发射无线电磁波；
(2)读入STL格式的模型文件，提取构成雷达目标的每个三角面元的坐标和面元法向矢量；
(3)对三角面元是否能够被入射波照亮进行判断，标记出照亮的三角面元：对每个三角面元，若满足则将当前三角面元标记为照亮，其中为面元法向矢量，为对应预设的雷达波入射角的入射波方向矢量
(4)根据公式计算每个被标记为照亮的三角面元的表面感应电流，其中为波传播矢量，η为自由空间波阻抗，为入射波电场矢量；
(5)根据公式
求解出每个被照亮三角面元引起的散射场其中，和为入射波电场的横向和纵向分量，和为对应和的方向矢量，rs为距离散射中心距离，为入射波电场方向矢量，为散射场方向矢量，为径向单位矢量，k为波数，λ为入射波波长，e为自然底数，j表示虚数单位；
(6)重复步骤(4)和步骤(5)直到所有被标记为照亮的面元计算完毕；
(7)将所有被照亮的单个面元散射场相加得到整个目标模型的总散射场再根据公式得到远场情况下雷达目标的RCS值σ。
进一步，所述电磁仿真模块仿真方法如下：
1)配置电磁仿真初始参数；
2)选用ANSYS软件建立仿真对象的几何模型，然后在ANSYS软件中采用四面体单元对该模型进行网格离散，离散后导出仿真分析所需的网格离散信息文件，包括单元节点信息文件和节点坐标信息文件；
3)根据网格离散信息，将每个四面体单元内部的场采用棱边基函数展开，再利用Galerkin方法生成时域有限元大型稀疏线性系统，其大小为所有棱边基函数的数目；
4)采用递归二分的方式对网格离散后的仿真对象几何模型进行分组，构造出所有棱边基函数集的二叉树结构；
5)将棱边基函数集的二叉树结构和Galerkin方法中测试基函数集的二叉树结构相互作用，生成二维的块状树结构；
6)采用容许条件理论选择块状树结构中任意两组之间的远组作用，并将远组作用形成的矩阵压缩成两个低秩矩阵相乘形式，生成时域有限元系数矩阵的H-矩阵表达式，其中仅包含两类子块，即容许块和非容许块；
7)利用递归算法及H-矩阵自定义的四则运算法则，对时域有限元系数矩阵H-矩阵进行LU分解的操作，获得H-矩阵形式的上下三角因子；
8)在已获得H-矩阵形式的上下三角因子的基础上，之后每个时间步执行H-矩阵前后向回代即可获得该时间步线性方程组的解，最终获得仿真区域各处场值；
9)根据需要提取相应的场值并通过计算处理获得微波电路的S参数、散射体的雷达散射截面(RCS)等电磁特性参数，完成电磁仿真过程。
本发明的优点及积极效果为：
本发明通过散射截面计算模块使用了STL格式的模型文件进行RCS计算，该格式的文件具有通用性，主流建模软件均可生成，无需手动编写模型描述文件，大大减轻了建模的复杂度；采用了判断面元法向矢量与电磁波入射方向矢量数量积是否小于零的方法，简化了计算，节省了计算时间；同时，通过电磁仿真模块模型离散拟合精确高；计算复杂度和内存消耗低；计算精度可控；通过调节H-矩阵中低秩压缩块的压缩程度或者通过控制容许条件的强弱，能获得不同的求解精度，不同的求解精度需要不同的计算时间和内存消耗，因此计算时间和内存消耗是可控的；稳定性好；由于H-矩阵直接解法无关于时域有限元矩阵的性态，因此针对复杂模型所产生的系数矩阵性态较差的情况依然具有较强的分析能力。
附图说明
图1是本发明实施例提供的模拟雷达散射截面面积的平面波间断有限元方法流程图。
图2是本发明实施例提供的模拟雷达散射截面面积的平面波间断有限元系统结构框图。
图中：1、供电模块；2、按键操作模块；3、主控模块；4、电波发射模块；5、电波接收模块；6、散射截面计算模块；7、电磁仿真模块；8、显示模块。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。
现有雷达散射截面面积计算效率低；
同时，现有模拟仿真雷达时，当仿真规模较大，会造成现有计算机硬件配置难以承受；
稳定性差，模拟精度差。
为解决上述技术问题，下面结合附图对本发明的结构作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的模拟雷达散射截面面积的平面波间断有限元方法包括以下步骤：
S101，通过供电模块为模拟雷达系统供电操作；通过按键操作模块利用操作按键对雷达进行控制操作；
S102，主控模块通过电波发射模块利用发射机发射无线电磁波；
S103，通过电波接收模块利用接收天线接收返回的电磁波；
S104，通过散射截面计算模块利用数据计算程序计算雷达散射截面面积；
S105，通过电磁仿真模块利用仿真程序对雷达电磁波进行仿真操作；
S106，通过显示模块利用显示器显示模拟雷达散射截面面积的平面波间断有限元系统界面及计算数据、测试数据信息。
如图2所示，本发明实施例提供的模拟雷达散射截面面积的平面波间断有限元系统包括：供电模块1、按键操作模块2、主控模块3、电波发射模块4、电波接收模块5、散射截面计算模块6、电磁仿真模块7、显示模块8。
供电模块1，与主控模块3连接，用于为模拟雷达系统供电操作；
按键操作模块2，与主控模块3连接，用于通过操作按键对雷达进行控制操作；
主控模块3，与供电模块1、按键操作模块2、电波发射模块4、电波接收模块5、散射截面计算模块6、电磁仿真模块7、显示模块8连接，用于通过单片机控制各个模块正常工作；
电波发射模块4，与主控模块3连接，用于通过发射机发射无线电磁波；
电波接收模块5，与主控模块3连接，用于通过接收天线接收返回的电磁波；
散射截面计算模块6，与主控模块3连接，用于通过数据计算程序计算雷达散射截面面积；
电磁仿真模块7，与主控模块3连接，用于通过仿真程序对雷达电磁波进行仿真操作；
显示模块8，与主控模块3连接，用于通过显示器显示模拟雷达散射截面面积的平面波间断有限元系统界面及计算数据、测试数据信息。
本发明提供的散射截面计算模块6计算方法如下：
(1)对雷达供电，启动发射机发射无线电磁波；
(2)读入STL格式的模型文件，提取构成雷达目标的每个三角面元的坐标和面元法向矢量；
(3)对三角面元是否能够被入射波照亮进行判断，标记出照亮的三角面元：对每个三角面元，若满足则将当前三角面元标记为照亮，其中为面元法向矢量，为对应预设的雷达波入射角的入射波方向矢量
(4)根据公式计算每个被标记为照亮的三角面元的表面感应电流，其中为波传播矢量，η为自由空间波阻抗，为入射波电场矢量；
(5)根据公式
求解出每个被照亮三角面元引起的散射场其中，和为入射波电场的横向和纵向分量，和为对应和的方向矢量，rs为距离散射中心距离，为入射波电场方向矢量，为散射场方向矢量，为径向单位矢量，k为波数，λ为入射波波长，e为自然底数，j表示虚数单位；
(6)重复步骤(4)和步骤(5)直到所有被标记为照亮的面元计算完毕；
(7)将所有被照亮的单个面元散射场相加得到整个目标模型的总散射场再根据公式得到远场情况下雷达目标的RCS值σ。
本发明实施例提供的电磁仿真模块7仿真方法如下：
1)配置电磁仿真初始参数；
2)选用ANSYS软件建立仿真对象的几何模型，然后在ANSYS软件中采用四面体单元对该模型进行网格离散，离散后导出仿真分析所需的网格离散信息文件，包括单元节点信息文件和节点坐标信息文件；
3)根据网格离散信息，将每个四面体单元内部的场采用棱边基函数展开，再利用Galerkin方法生成时域有限元大型稀疏线性系统，其大小为所有棱边基函数的数目；
4)采用递归二分的方式对网格离散后的仿真对象几何模型进行分组，构造出所有棱边基函数集的二叉树结构；
5)将棱边基函数集的二叉树结构和Galerkin方法中测试基函数集的二叉树结构相互作用，生成二维的块状树结构；
6)采用容许条件理论选择块状树结构中任意两组之间的远组作用，并将远组作用形成的矩阵压缩成两个低秩矩阵相乘形式，生成时域有限元系数矩阵的H-矩阵表达式，其中仅包含两类子块，即容许块和非容许块；
7)利用递归算法及H-矩阵自定义的四则运算法则，对时域有限元系数矩阵H-矩阵进行LU分解的操作，获得H-矩阵形式的上下三角因子；
8)在已获得H-矩阵形式的上下三角因子的基础上，之后每个时间步执行H-矩阵前后向回代即可获得该时间步线性方程组的解，最终获得仿真区域各处场值；
9)根据需要提取相应的场值并通过计算处理获得微波电路的S参数、散射体的雷达散射截面(RCS)等电磁特性参数，完成电磁仿真过程。
以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种模拟雷达散射截面面积的平面波间断有限元方法，其特征在于，所述模拟雷达散射截面面积的平面波间断有限元方法包括
通过散射截面计算模块利用数据计算程序计算雷达散射截面面积：
读入STL格式的模型文件，提取构成雷达目标的每个三角面元的坐标和面元法向矢量；对三角面元是否能够被入射波照亮进行判断，标记出照亮的三角面元；计算每个被标记为照亮的三角面元的表面感应电流，直到所有被标记为照亮的面元计算完毕；
通过电磁仿真模块利用仿真程序对雷达电磁波进行仿真操作，选用ANSYS软件建立仿真对象的几何模型，然后在ANSYS软件中采用四面体单元对该模型进行网格离散，离散后导出仿真分析所需的网格离散信息文件，包括单元节点信息文件和节点坐标信息文件。
2.如权利要求1所述模拟雷达散射截面面积的平面波间断有限元方法，其特征在于，所述模拟雷达散射截面面积的平面波间断有限元方法具体包括以下步骤：
步骤一，通过供电模块为模拟雷达系统供电操作；通过按键操作模块利用操作按键对雷达进行控制操作；
步骤二，主控模块通过电波发射模块利用发射机发射无线电磁波；
步骤三，通过电波接收模块利用接收天线接收返回的电磁波；
步骤四，通过散射截面计算模块利用数据计算程序计算雷达散射截面面积；
步骤五，通过电磁仿真模块利用仿真程序对雷达电磁波进行仿真操作；
步骤六，通过显示模块利用显示器显示模拟雷达散射截面面积的平面波间断有限元系统界面及计算数据、测试数据信息。
3.如权利要求1所述模拟雷达散射截面面积的平面波间断有限元方法，其特征在于，所述散射截面计算模块计算方法包括：对雷达供电，启动发射机发射无线电磁波。
4.如权利要求1所述模拟雷达散射截面面积的平面波间断有限元方法，其特征在于，所述散射截面计算模块计算方法进一步包括：
读入STL格式的模型文件，提取构成雷达目标的每个三角面元的坐标和面元法向矢量；
对三角面元是否能够被入射波照亮进行判断，标记出照亮的三角面元：对每个三角面元，若满足则将当前三角面元标记为照亮，其中为面元法向矢量，为对应预设的雷达波入射角的入射波方向矢量
根据公式计算每个被标记为照亮的三角面元的表面感应电流，其中为波传播矢量，η为自由空间波阻抗，为入射波电场矢量；
根据公式
求解出每个被照亮三角面元引起的散射场其中，和为入射波电场的横向和纵向分量，和为对应和的方向矢量，rs为距离散射中心距离，为入射波电场方向矢量，为散射场方向矢量，为径向单位矢量，k为波数，λ为入射波波长，e为自然底数，j表示虚数单位；
重复上述直到所有被标记为照亮的面元计算完毕。
5.如权利要求4所述模拟雷达散射截面面积的平面波间断有限元方法，其特征在于，计算完毕后，进一步进行：
将所有被照亮的单个面元散射场相加得到整个目标模型的总散射场再根据公式得到远场情况下雷达目标的RCS值σ。
6.如权利要求1所述模拟雷达散射截面面积的平面波间断有限元方法，其特征在于，所述电磁仿真模块仿真方法包括：配置电磁仿真初始参数。
7.如权利要求1所述模拟雷达散射截面面积的平面波间断有限元方法，其特征在于，所述电磁仿真模块仿真方法进一步包括：
选用ANSYS软件建立仿真对象的几何模型，然后在ANSYS软件中采用四面体单元对该模型进行网格离散，离散后导出仿真分析所需的网格离散信息文件，包括单元节点信息文件和节点坐标信息文件；
根据网格离散信息，将每个四面体单元内部的场采用棱边基函数展开，再利用Galerkin方法生成时域有限元大型稀疏线性系统，其大小为所有棱边基函数的数目；
采用递归二分的方式对网格离散后的仿真对象几何模型进行分组，构造出所有棱边基函数集的二叉树结构；
将棱边基函数集的二叉树结构和Galerkin方法中测试基函数集的二叉树结构相互作用，生成二维的块状树结构；
采用容许条件理论选择块状树结构中任意两组之间的远组作用，并将远组作用形成的矩阵压缩成两个低秩矩阵相乘形式，生成时域有限元系数矩阵的H-矩阵表达式，其中仅包含两类子块，即容许块和非容许块；
利用递归算法及H-矩阵自定义的四则运算法则，对时域有限元系数矩阵H-矩阵进行LU分解的操作，获得H-矩阵形式的上下三角因子。
8.如权利要求7所述模拟雷达散射截面面积的平面波间断有限元方法，其特征在于，
在已获得H-矩阵形式的上下三角因子的基础上，之后每个时间步执行H-矩阵前后向回代获得该时间步线性方程组的解，最终获得仿真区域各处场值；
根据需要提取相应的场值并通过计算处理获得微波电路的S参数、散射体的雷达散射截面RCS电磁特性参数，完成电磁仿真过程。
9.一种模拟雷达散射截面面积的平面波间断有限元系统，其特征在于，所述模拟雷达散射截面面积的平面波间断有限元系统包括：
供电模块，与主控模块连接，用于为模拟雷达系统供电操作；
按键操作模块，与主控模块连接，用于通过操作按键对雷达进行控制操作；
主控模块，与供电模块、按键操作模块、电波发射模块、电波接收模块、散射截面计算模块、电磁仿真模块、显示模块连接，用于通过单片机控制各个模块正常工作；
电波发射模块，与主控模块连接，用于通过发射机发射无线电磁波；
电波接收模块，与主控模块连接，用于通过接收天线接收返回的电磁波；
散射截面计算模块，与主控模块连接，用于通过数据计算程序计算雷达散射截面面积；
电磁仿真模块，与主控模块连接，用于通过仿真程序对雷达电磁波进行仿真操作；
显示模块，与主控模块连接，用于通过显示器显示模拟雷达散射截面面积的平面波间断有限元系统界面及计算数据、测试数据信息。
10.一种搭载权利要求9所述模拟雷达散射截面面积的平面波间断有限元系统的计算机硬件配置设备。
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| CN110412567A (zh) * | 2019-06-27 | 2019-11-05 | 中国科学院电子学研究所 | 无源定标器的真实二维rcs获取方法 |
| CN110502785A (zh) * | 2019-07-15 | 2019-11-26 | 电子科技大学 | 一种三维时域计算波导s参数的电磁数值方法 |
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