CN110441747A - 基于坡印廷矢量的目标近场同极化散射特性标定的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于坡印廷矢量的目标近场同极化散射特性标定的方法，包含：S1、采用MoM方法，通过仿真计算获取金属球在不同距离下的散射总场特性；S2、采用MoM方法，在没有金属球的情况下，通过仿真计算获取不同距离下的入射场特性；S3、获取金属球的反射场随距离变化的特性；S4、采用坡印廷矢量方法，获取金属球在不同距离下的近场散射能量和入射场能量；S5、定标金属球的近场散射RCS随距离变化的特性；S6、引入大数拟合方法，得到金属球在不同距离下的近场散射RCS拟合公式。本发明通过精确矩量法以及坡印廷矢量理论，获取在平面波激励下的金属球目标随不同距离的近场散射特性，为后续用于不同探测器对目标散射RCS定标提供基础。

Description

基于坡印廷矢量的目标近场同极化散射特性标定的方法
技术领域
本发明涉及一种基于坡印廷矢量的目标近场同极化散射特性标定的方法，尤其是指在平面波激励下的基于金属球的近场标定方法，属于近场特性定标的技术领域。
背景技术
近场电磁散射特性(雷达截面，Radar Cross Section，RCS)的定标一直是近程探测系统、涉及电磁散射专业发展的难点之一。弹载雷达对目标的制导跟踪和引战配合依赖于近场特性，目标近场RCS特性的定标是对目标近场特性定标的关键，进而是影响末制导雷达跟踪精度与引信近程探测性能的关键概念之一。
传统的远场雷达散射截面(远场电磁散射特性)的定标前提为雷达和目标的距离足够远，进而远场电磁散射特性仅仅依赖于目标的俯仰角度和方位角度。进一步说，远场电磁散射特性仅仅是目标的俯仰角度和方位角度、频率的函数。近场电磁散射特性不仅仅和目标的姿态相关，和探测器的姿态以及探测器与目标交会的速度、脱靶量、脱靶方位都息息相关，进而对近场散射的定标一直都是一个难点。
高红伟，巩莉，盛新庆发布的《三维复杂目标近区散射场的计算》(北京理工大学学报的第34卷第1期，2014年1月)针对复杂目标近场电磁散射特性问题，应用有限元全波数值方法计算复杂目标在赫兹偶极子辐射球面波照射下的散射特性。由于有限元方法所计算的区域有限，为精确获得目标近区散射场，通过已得输出面上电流源和磁流源，推导得出空间中任意位置处的散射电场严格表达式，并将其用于计算复杂目标的近区广义雷达散射截面，通过数值试验验证该严格计算公式的正确性，展示该方法对复杂目标近场电磁散射特性问题的有效性。
邹艳林，郭景丽，刘其中发布的《旋转体目标散射远场的快速计算》(西安电子科技大学学报(自然科学版)，第36卷第2期，2009年4月)提出了一种基于互易定理的快速计算旋转体目标散射远场的方法。该方法利用每个模式下表面等效电磁流的指数分布特性和散射体的结构特性，推导出了方位角积分的解析表达式，从而将二重积分降为易于计算的一重弧长积分。
专利申请号201810629585.1，《一种基于近场稀疏成像外推的目标RCS测量方法》，申请人：中国电子科技集团公司第四十一研究所，发明人：孙超、常庆功、王亚海、胡大海、颜振，公开了一种基于近场稀疏成像外推的目标RCS测量方法，采用稀疏重建算法进行目标高分辨成像，生成图像中非零像素即为目标的散射中心，避免了CLEAN算法迭代过程带来的积累误差问题，并且在稀疏字典构造过程中考虑天线方向图和距离衰减因素，提高了RCS测量的精度。
专利申请号201810188886.5，《一种近场电磁散射特性模拟方法》，申请人：北京环境特性研究所，发明人：贾琦、崔燕杰、郭杰、张向阳，公开了一种近场电磁散射特性模拟方法，涉及电磁散射技术领域。其中，该方法包括：对目标进行剖分，以得到多个面元；根据多层快速多级子算法生成每个面元在近场条件下的矩阵方程，然后，通过所述矩阵方程得到面元上的电流；根据所述面元上的电流确定面元对应的极化接收电场；对所有面元对应的极化接收电场进行矢量叠加处理，以得到目标在近场条件下的电磁散射特性的表征参量。通过以上步骤，能够提高目标近场电磁散射特性模拟结果的精度和普适性，可广泛适用于目标在各类天线照射和弹目交会条件下的近场电磁散射特性研究。
专利申请号201810442226.5，《雷达目标RCS近远场转换中多次散射特征的提取与校正处理方法》，申请人：北京航空航天大学，发明人：陈鹏辉、许小剑，公开了一种雷达目标RCS近远场转换中多次散射特征的提取与校正处理方法，包括雷达目标近场电磁散射特性中多次散射特性鉴别、提取、入射源位置确定，并在近-远场转换中对多次散射进行处理的方法。
专利申请号201611121530.7，《一种近场模拟器》，申请人：北京航空航天大学，发明人：李志平、武建华、王正鹏、霍鹏，公开了一种近场模拟器，基于紧缩场偏焦控制，实现近场的球面波前模拟，通过连续调整激励源对反射面的偏焦照射来实现不同距离处等效球面波源连续模拟，目的是紧缩化地实现大距离范围覆盖的近场电磁环境，用于无线电系统的近场模拟测试。
目前国内外并没有相关文献对目标的近场的散射特性随距离变化规律以及相关内容进行专题阐述。国内针对目标的近场散射特性应用球或者平板的远场(探测器与目标的距离无限远)的值来对近场散射进行定标，缺乏相关科学依据，如何科学性的表征隐身目标的近场电磁散射特性一直缺乏相应的研究，在一定程度上制约了相关专业的发展。
基于上述，本发明提出一种基于坡印廷矢量的目标近场同极化散射特性标定的方法，通过传统理论完成对近场散射特性的定标，解决现有技术中存在的缺点和限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于坡印廷矢量的目标近场同极化散射特性标定的方法，通过精确矩量法以及坡印廷矢量理论，获取在平面波激励下的金属球目标随不同距离的近场散射特性，为后续用于不同探测器对目标散射RCS定标提供基础。
为实现上述目的，本发明提供一种基于坡印廷矢量的目标近场同极化散射特性标定的方法，包含以下步骤：
S1、采用MoM方法，对作为目标的金属球进行建模，通过仿真计算获取金属球在不同距离下的散射总场特性；
S2、采用MoM方法，在与S1状态相同且没有金属球的情况下，通过仿真计算获取不同距离下的入射场特性；
S3、根据散射总场特性和入射场特性，获取金属球的反射场随距离变化的特性；
S4、采用坡印廷矢量方法，获取金属球在不同距离下的近场散射能量和入射场能量；
S5、定标金属球的近场散射RCS随距离变化的特性；
S6、引入大数拟合方法，得到金属球在不同距离下的近场散射RCS拟合公式。
所述的S1中，采用平面波激励，获取金属球在不同距离下的散射总场特性；其中，采用MoM方法计算散射回波总场的网格大小为λ/8，λ为入射波的波长，并且计算采用双精度。
所述的S1中，金属球的散射总场特性包括：散射总场电场强度Etotal(d)、散射总场磁场强度Htotal(d)；其中，下标total表示散射总场；d表示观测点到金属球中心的距离。
所述的S2中，入射场特性包括：入射场电场强度Einc(d)、入射场磁场强度Hinc(d)；其中，下标inc表示入射场。
所述的S3中，通过对散射总场特性和入射场特性进行矢量运算，获取金属球的反射场随距离变化的特性，包括反射场电场强度Escat(d)、反射场磁场强度Hscat(d)，具体为：
Escat(d)＝Etotal(d)-Einc(d)
Hscat(d)＝Htotal(d)-Hinc(d)
其中，下标scatt表示反射场。
所述的S4中，应用坡印廷矢量方法P＝E×H，获取金属球在不同距离下的近场散射能量Pscat(d)和入射场能量Pinc(d)，具体为：
Pscat(d)＝Escat(d)×Hscat(d)
Pinc(d)＝Einc(d)×Hinc(d)
其中，P表示坡印廷矢量。
所述的S5中，具体为：
其中，σ表示雷达散射截面。
综上所述，本发明所提供的基于坡印廷矢量的目标近场同极化散射特性标定的方法，通过引入金属球在不同距离下的散射坡印廷矢量，精确求解出不同距离下的金属球的RCS量值，进而把不易表述的金属球在不同距离下的近场特性RCS值的科学性的表征出来。本发明结果不仅可用于获取金属在不同距离下的近场电磁散射特性，而且也可以用于标定不同探测器对于固定目标在不同距离下的近场散射特性，进而获得所述目标在不同探测器下的近场特性的RCS值。
附图说明
图1为本发明中的基于坡印廷矢量的目标近场同极化散射特性标定的方法的流程图；
图2为本发明具体实施例中的金属球近场RCS随距离变化特性的仿真结果示意图。
具体实施方式
以下结合图1～图2，通过优选实施例对本发明的技术内容、构造特征、所达成目的及功效予以详细说明。
如图1所示，为本发明所提供的基于坡印廷矢量的目标近场同极化散射特性标定的方法，包含以下步骤：
S1、采用MoM(Method of Moments，矩量法)方法，对一定大小的金属球进行建模，通过仿真计算获取金属球在不同距离下的散射总场特性；
S2、采用MoM方法，在与S1状态相同且没有金属球的情况下，通过仿真计算获取不同距离下的入射场特性；
S3、根据散射总场特性和入射场特性，获取金属球的反射场随距离变化的特性；
S4、采用坡印廷矢量方法，获取金属球在不同距离下的近场散射能量和入射场能量；
S5、定标金属球的近场散射RCS(雷达截面)随距离变化的特性；
S6、结合具体应用的需求，引入大数拟合方法，得到金属球在不同距离下的近场散射RCS拟合公式。
所述的S1中，以金属球为目标，采用平面波激励，获取金属球在不同距离下的散射总场特性；其中，采用MoM方法计算散射回波总场的网格大小为λ/8，λ为入射波的波长，并且计算采用双精度，从而能够忽略探测器姿态以及目标姿态。
所述的S1中，金属球的散射总场特性包括：散射总场电场强度Etotal(d)(V/m)、散射总场磁场强度Htotal(d)(A/m)；其中，下标total表示散射总场；d表示观测点到金属球中心的距离。
所述的S2中，入射场特性包括：入射场电场强度Einc(d)、入射场磁场强度Hinc(d)；其中，下标inc表示入射场。
所述的S3中，通过对散射总场特性和入射场特性进行矢量运算，获取金属球的反射场随距离变化的特性，包括反射场电场强度Escat(d)、反射场磁场强度Hscat(d)，具体为：
Escat(d)＝Etotal(d)-Einc(d)
Hscat(d)＝Htotal(d)-Hinc(d)
其中，下标scatt表示反射场。
所述的S4中，应用坡印廷矢量方法P＝E×H，获取金属球在不同距离下的近场散射能量Pscat(d)和入射场能量Pinc(d)，具体为：
Pscat(d)＝Escat(d)×Hscat(d)
Pinc(d)＝Einc(d)×Hinc(d)
其中，P表示坡印廷矢量，单位为V×A/m2。
所述的S5中，具体为：
其中，σ表示雷达散射截面，单位为m2。
综上所述，本发明所提供的基于坡印廷矢量的目标近场同极化散射特性标定的方法，通过利用精确的矩量法计算得到金属球的反射场特性，并应用坡印廷矢量方法得到不同距离下的坡印廷矢量，进而应用非近似的电磁散射公式得到不同距离下的金属球近场散射RCS的值，从而取得了一种精确的金属球在不同距离下的近场特性获取方法。本发明通过引入金属球在不同距离下的散射坡印廷矢量，从而精确求解出金属球在不同距离下的近场散射RCS值，最终将不易表述的金属球在不同距离下的近场散射RCS值科学性的表征出来。本发明的结果不仅可用于获取目标在不同距离下的近场电磁散射特性，而且也可以用于标定不同探测器对于固定目标在不同距离下的近场散射特性，进而获得所述目标在不同探测器下的近场特性的RCS值。
下面结合具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。本实施例中，采用直径为0.64m的全金属球作为目标，谐振频率为155MHz，仿真频率为3000MHz。
S1、采用MoM方法，对一定大小的金属球进行建模，通过仿真计算获取金属球在不同距离下的散射总场特性；
其中，采用的网格大小为10mm，仿真时探测器与金属球之间的距离为0.32m到12m，可每间隔0.01m进行一次仿真计算；利用平面波激励，经过仿真计算得到金属球在不同距离下的散射总场特性Etotal(d)、Htotal(d)；
S2、采用MoM方法，在与S1状态相同且没有金属球的情况下，通过仿真计算获取不同距离下的入射场特性Einc(d)、Hinc(d)；
S3、通过矢量运算Escat(d)＝Etotal(d)-Einc(d)、Hscat(d)＝Htotal(d)-Hinc(d)，获取金属球的反射场随距离变化的特性；
S4、采用坡印廷矢量方法(P＝E×H)，获取金属球在不同距离下的近场散射能量Pscat(d)＝Escat(d)×Hscat(d)和入射场能量Pinc(d)＝Einc(d)×Hinc(d)；
S5、根据定标金属球的近场散射RCS随距离变化的特性，从而获得如图2所示的曲线；
S6、结合图2所示的曲线，应用大数拟合方法，得到直径为0.64m的金属球的近场散射RCS拟合公式为：1.2×10-6×d6-5.2×10-5×d5+1.0×10-4×d4-9.4×10-3×d3+0.05×d2-0.15×d+0.56。
综上所述，本发明所提供的基于坡印廷矢量的目标近场同极化散射特性标定的方法，通过引入金属球在不同距离下的散射坡印廷矢量，精确求解出不同距离下的金属球的RCS量值，进而把不易表述的金属球在不同距离下的近场特性RCS值的科学性的表征出来。本发明结果不仅可用于获取金属在不同距离下的近场电磁散射特性，而且也可以用于标定不同探测器对于固定目标在不同距离下的近场散射特性，进而获得所述目标在不同探测器下的近场特性的RCS值。
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 (7)

1.一种基于坡印廷矢量的目标近场同极化散射特性标定的方法，其特征在于，包含以下步骤：
S1、采用MoM方法，对作为目标的金属球进行建模，通过仿真计算获取金属球在不同距离下的散射总场特性；
S2、采用MoM方法，在与S1状态相同且没有金属球的情况下，通过仿真计算获取不同距离下的入射场特性；
S3、根据散射总场特性和入射场特性，获取金属球的反射场随距离变化的特性；
S4、采用坡印廷矢量方法，获取金属球在不同距离下的近场散射能量和入射场能量；
S5、定标金属球的近场散射RCS随距离变化的特性；
S6、引入大数拟合方法，得到金属球在不同距离下的近场散射RCS拟合公式。
2.如权利要求1所述的基于坡印廷矢量的目标近场同极化散射特性标定的方法，其特征在于，所述的S1中，采用平面波激励，获取金属球在不同距离下的散射总场特性；其中，采用MoM方法计算散射回波总场的网格大小为λ/8，λ为入射波的波长，并且计算采用双精度。
3.如权利要求2所述的基于坡印廷矢量的目标近场同极化散射特性标定的方法，其特征在于，所述的S1中，金属球的散射总场特性包括：散射总场电场强度Etotal(d)、散射总场磁场强度Htotal(d)；其中，下标total表示散射总场；d表示观测点到金属球中心的距离。
4.如权利要求3所述的基于坡印廷矢量的目标近场同极化散射特性标定的方法，其特征在于，所述的S2中，入射场特性包括：入射场电场强度Einc(d)、入射场磁场强度Hinc(d)；其中，下标inc表示入射场。
5.如权利要求4所述的基于坡印廷矢量的目标近场同极化散射特性标定的方法，其特征在于，所述的S3中，通过对散射总场特性和入射场特性进行矢量运算，获取金属球的反射场随距离变化的特性，包括反射场电场强度Escat(d)、反射场磁场强度Hscat(d)，具体为：
Escat(d)＝Etotal(d)-Einc(d)
Hscat(d)＝Htotal(d)-Hinc(d)
其中，下标scatt表示反射场。
6.如权利要求5所述的基于坡印廷矢量的目标近场同极化散射特性标定的方法，其特征在于，所述的S4中，应用坡印廷矢量方法P＝E×H，获取金属球在不同距离下的近场散射能量Pscat(d)和入射场能量Pinc(d)，具体为：
Pscat(d)＝Escat(d)×Hscat(d)
Pinc(d)＝Einc(d)×Hinc(d)
其中，P表示坡印廷矢量。
7.如权利要求6所述的基于坡印廷矢量的目标近场同极化散射特性标定的方法，其特征在于，所述的S5中，具体为：
其中，σ表示雷达散射截面。
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