CN111859704B - 一种分布式多视角下非刚体目标电磁散射建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分布式多视角下非刚体目标电磁散射建模方法，包括以下步骤：步骤1：电磁波照射非刚体目标，基于RWG基函数，获得具有目标振动特性的感应电磁流；步骤2：构建出具有目标振动状态的电磁场描述模型；步骤3：根据电磁场描述模型进行快速多极计算，获得不同采样时刻下的高精度目标电磁散射回波数据；步骤4：根据高精度目标电磁散射回波数据，计算不同激励条件下的具有目标振动状态的电磁场描述模型，从而获得非刚体目标电磁散射特征。此发明解决了常规电磁散射特性仿真建模技术对非刚体目标电磁特性分析逼真度较差的问题，将不同基函数的振动特性映射到电磁场矩量法的空间分组中心，开展迭代计算，提升了仿真建模的适应性和精确度。
Description
技术领域
本发明涉及目标电磁散射特性仿真建模技术领域，具体涉及一种分布式多视角下非刚体目标电磁散射建模方法。
背景技术
大尺寸(飞机)目标在运动过程中固有的振动特性引起各个部件的局部振动，极大的影响目标电磁散射特征。常规电磁散射特性仿真建模技术将目标当做刚体开展电磁求解，目标为精确或全局运动一致，对真实作战环境下的目标电磁特性分析逼真度较差。为了弥补传统电磁散射特性仿真建模的不足，充分发挥电磁散射技术在武器系统设计及评估中的优势，急需深入研究分布式多视角探测下非刚体目标电磁散射特性仿真建模技术。
随着目标仿真建模高精度、高逼真度的要求，常规电磁建模手段逐渐无法满足工程需求。对于大尺寸目标，通过模态分析，可得到机械结构在某一受影响的频率范围内各阶模态的振动特性，以及机械结构在此频段内及在内部或外部各种振源激励下的振动响应结果，用于目标结构设计，然后联合目标电磁散射特性分析即可逼真目标真实作战/飞行中的真实雷达散射回波。因此，急需开展联合目标电磁特性和结构特性的联合仿真建模技术，为分布式下目标电磁特性分析提供有力手段。
2015年周城宏、钱卫平、郭永强等发表在四川兵工学报上的非专利文献“动态目标的电磁散射模型”文章中对动态目标则在准静态原理假设下近似计算，基于Maxwell方程组和入射电磁场边界条件在雷达参考系和目标参考系相互转换规律，在目标参考系中构建了动态电磁散射问题的精确数学形式，非均匀边界条件下的Maxwell方程求解问题，并讨论了准静态近似的理论依据，指出其适用范围局限于非相对论速度的动态目标。该文献为准静态目标电磁特性研究提供了必要的理论依据，但是未考虑目标动态特新引起的电磁特征，对动态问题的研究和论述略显不足。
2009年徐林、袁仕继、李康乐等发表在现代电子技术上的非专利文献“非刚体运动建模与宽带雷达回波仿真”中以空间非刚体运动目标产生的微多普勒特征为空间目标物理特性反演的依据，建立了目标微动数学模型，并基于典型的宽带雷达波形(LFM)推导了微动对回波的调制形式，分析了微多普勒的特点，最后利用仿真实验验证了该模型的有效性。该文献重点考察了非刚体运动目标产生的雷达效应，尚未设计非刚体目标电磁特性。
2013年陈如山、樊振宏等发表的专利文献“薄介质涂敷的金属旋转对称目标电磁散射快速计算方法”，专利公开号CN103177193A，公开了一种薄介质涂敷的金属旋转对称目标电磁散射快速计算方法。针对这种金属介质混合结构，仅需对金属部分建立电场积分方程，介质部分不需要建立方程进行描述。利用目标的旋转对称特性，将3维问题降成2维问题分析，加速求解速度，降低求解内存。该文献针对动态刚体目标为研究对象，为设计非刚体目标的动态过程。
2011年曾涛、胡程等发表的专利文献“一种前向散射雷达地面运动目标信号建模及成像方法，专利公开号为CN102129067A，发明所提出的方法考虑地面反射、大衍射角以及目标运动方向较为随机等实际情况，建立了精确的地面运动目标前向散射信号模型，修正了SISAR成像算法，并对目标像进行了更为精确的估计。修正后的成像算法在大衍射角、目标斜穿基线和多径干涉情况下依然可以获得精确的目标像，这些目标像与目标真实轮廓形状非常接近，可有效地对不同形状的目标进行分类识别，该文献研究对象为刚体目标，为设计非刚体目标引起的目标电磁特性变化。
发明内容
本发明的目的是提供一种分布式多视角下非刚体目标电磁散射建模方法。此方法旨在解决常规电磁散射特性仿真建模技术将目标当做刚体开展电磁求解，对非刚体目标电磁特性分析逼真度较差的问题，将不同基函数的振动特性映射到电磁场矩量法的空间分组中心，开展迭代计算，获取非刚体目标在不同探测角度下的雷达散射回波，提升仿真建模的适应性和精确度，为非刚体目标电磁散射特性分析提供有效技术手段。
为达到上述目的，本发明提供了一种分布式多视角下非刚体目标电磁散射建模方法，包括以下步骤：
步骤1：电磁波照射局部振动的非刚体目标，并基于RWG基函数，获得具有目标振动特性的感应电磁流；
步骤2：根据具有目标振动特性的感应电磁流，构建出具有目标振动状态的电磁场描述模型；
步骤3：基于MLFMA算法，根据具有目标振动状态的电磁场描述模型进行快速多极计算，获得不同采样时刻下的高精度目标电磁散射回波数据；
步骤4：根据不同采样时刻下的高精度目标电磁散射回波数据，计算出不同激励条件下的具有目标振动状态的电磁场描述模型，从而获得非刚体目标局部振动下的电磁散射特征。
最优选的，获得具有目标振动特性的感应电磁流包括以下步骤：
步骤1.1：外来电磁波照射局部振动的非刚体目标，在非刚体目标表面形成感应电磁流J，且感应电磁流J在外界空间产生电磁散射场；
步骤1.2：基于RWG基函数，对感应电磁流J展开，获得具有目标振动特性的感应电磁流。
最优选的，电磁散射场为Es,Hs，且分别满足：
其中，为虚数单位；s为散射场标识；μ为空间背景的磁导率；/>为入射电磁波角频率；τ'为积分标识；k为波数，/>为梯度算子，/>为散度算子；G为自由空间的格林函数，且满足：
G＝e-ikR/(4πR)。
最优选的，具有目标振动特性的感应电磁流为J(r)，且满足：
其中，r为相邻平面三角形贴片内部的位置矢量；N为基函数的个数；±为RWG基函数对应的两个相邻平面三角形贴片；Ai(t)为相邻平面三角形贴片中第i个顶点的振动幅度信息；s(t)为相邻平面三角形贴片中第i个顶点的相位移动信息；t为时间；Ln为对应基函数的线段长度；an为感应电磁流展开系数；Tn为对应基函数相关的三角形编号；ρi为相邻平面三角形贴片中第i个顶点的位置信息，且满足：
其中，为相邻平面三角形贴片中第i个顶点初始时刻的位置信息；nn为目标的剖分顶点个数。
最优选的，具有目标振动状态的电磁场描述模型为Esct(r(t))，且满足：
其中，r(t)和r'(t)分别对应不同采样时刻下的相邻平面三角形贴片内部的位置矢量。
最优选的，快速多极计算包括以下步骤：
步骤3.1：对电磁场描述模型进行匹配，生成电磁波矩阵方程；
步骤3.2：根据电磁波矩阵方程，计算出不同采样时刻下的目标表面感应电磁流系数；
步骤3.3：基于MLFMA算法，在相邻振动模态采样间隔上，利用上一次仿真得到的目标表面感应电磁流系数作为本次初值开展迭代计算，从而获得不同采样时刻下的高精度目标电磁散射回波数据。
最优选的，电磁波矩阵方程满足：
ZN×N(t0)IN×1(t0)＝bN×1(t0)
其中，其中，ZN×N(t0)为t0时刻的阻抗矩阵，IN×1(t0)为t0时刻的感应电磁流系数，bn(t0)为t0时刻的激励矩阵，每个具体元素满足：
I(t)为动态感应系数矩阵，m,n表示ZN×N(t)中对应元素的行号和列号，且满足：
I(t)＝[a1(t),a2(t),.....,ap(t)]T
P表示总的采样时刻，满足：
最优选的，迭代计算满足：
其中，Bm表示由m的附近组构成的集合；Gn表示由第n个组中心的基函数构成的集合；为场组内基函数的配置因子，且满足：
为源组内基函数的聚合因子，且满足：
为远组间的耦合矩阵，且满足：
最优选的，目标振动特性包络目标RCS和多普勒回波特征信号。
运用此发明，解决了常规电磁散射特性仿真建模技术将目标作为刚体开展电磁求解，对非刚体目标电磁特性分析逼真度较差的问题，将不同基函数的振动特性映射到电磁场矩量法的空间分组中心，开展迭代计算，获取非刚体目标在不同探测角度下的雷达散射回波，提升了仿真建模的适应性和精确度，为非刚体目标电磁散射特性分析提供了有效技术手段。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的分布式多视角下非刚体目标电磁散射建模方法解决了常规电磁散射特性仿真建模技术将目标作为刚体开展电磁求解，对非刚体目标电磁特性分析逼真度较差的问题，将不同基函数的振动特性映射到电磁场矩量法的空间分组中心，开展迭代计算，获取非刚体目标在不同探测角度下的雷达散射回波，提升了仿真建模的适应性和精确度，为非刚体目标电磁散射特性分析提供了有效技术手段。
附图说明
图1为本发明提供的非刚体目标电磁散射建模方法流程图；
图2(a)和图2(b)分别为某机翼模型作为刚体目标和非刚体目标时，在某一振动时刻下的状态示意图；
图3为本发明提供的RWG基函数定义的网格示意图；
图4(a)为本发明提供的MLFMA算法的单层电磁场结构示意图；
图4(b)为本发明提供的MLFMA算法的多层分组结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图通过具体实施例对本发明作进一步的描述，这些实施例仅用于说明本发明，并不是对本发明保护范围的限制。
本发明提供了一种分布式多视角下非刚体目标电磁散射建模方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1：外来电磁波Ei,Hi(i表示激励标识)照射局部振动的非刚体目标，并基于RWG基函数，获得具有目标振动特性的感应电磁流J(r)；其中，获得具有目标振动特性的感应电磁流J(r)还包括以下步骤：
形成感应电磁流J和电磁散射场Es,Hs；形成感应电磁流和电磁散射场包括以下步骤：
步骤1.1：外来电磁波Ei,Hi照射局部振动的非刚体目标，在非刚体目标表面形成感应电磁流J；如图2(a)为某机翼模型作为刚体目标，在某一振动时刻下的状态示意图，刚体目标所在平面平行于直角坐标系中x-y的水平面；如图2(b)所示，为某机翼模型作为非刚体目标，在某一振动时刻下的状态示意图，非刚体目标所在平面与直角坐标系中x-y的水平面成一定角度，且其上各点在直角坐标系中z轴上的投影各不相同；且感应电磁流J在外界空间产生电磁散射场Es,Hs，且分别满足：
其中，为虚数单位；s为散射场标识；μ为空间背景的磁导率；/>为入射电磁波角频率；τ'为积分标识；；k为波数，/>为梯度算子，/>为散度算子；G为自由空间的格林函数，且满足：
G＝e-ikR/(4πR)。
步骤1.2：采用矩量法，将感应电磁流J添加到矩量法中描述局部感应电流的基函数上，即基于广义的屋脊基函数(RWG基函数)，对感应电磁流J展开，获得具有目标振动特性的感应电磁流J(r)，且满足：
其中，r为相邻平面三角形贴片内部的位置矢量；N为基函数的个数；±为RWG基函数对应的两个相邻平面三角形贴片；Ai(t)为相邻平面三角形贴片中第i个顶点的振动幅度信息；s(t)为相邻平面三角形贴片中第i个顶点的相位移动信息；t为时间；Ln为对应基函数的线段长度；an为感应电磁流展开系数；Tn为对应基函数相关的三角形编号；；ρi为相邻平面三角形贴片中第i个顶点的位置信息，且满足：
其中，为相邻平面三角形贴片中第i个顶点初始时刻的位置信息；nn为目标的剖分顶点个数。
如图3所示，如果RWG基函数对应的三角形在部件的边界上，则没有对应的三角形对形成互耦，此时RWG仅定义在一个贴片上。在刚体目标电磁仿真建模中，定义基函数的顶点位置ρ不变或全局周期性运动，各个顶点间的相对位移保持不变。然而，在非刚体目标振动中，各个顶点ρ的振动幅度不同，必须添加周期性振动幅度才能完成非刚体目标在振动状态下的电磁建模。
步骤2：根据具有目标振动特性的感应电磁流J(r)和电磁散射场Es,Hs，构建出具有目标振动状态的电磁场描述模型Esct(r(t))，且满足：
其中，r(t)和r'(t)分别对应不同采样时刻下的相邻平面三角形贴片内部的位置矢量。
其中，目标振动状态下的振动特性包络目标RCS、多普勒回波等特征信号。
步骤3：基于多层快速多极(MLFMA)算法，根据具有目标振动状态的电磁场描述模型Esct(r(t))进行快速多极计算，获得不同采样时刻下的高精度目标电磁散射回波数据；其中，快速多极计算包括以下步骤：
步骤3.1：采用伽略金方法对电磁场描述模型Esct(r(t))进行匹配，生成电磁波矩阵方程；电磁波矩阵方程满足：
ZN×N(t0)IN×1(t0)＝bN×1(t0)
其中，其中，ZN×N(t0)为t0时刻的阻抗矩阵，IN×1(t0)为t0时刻的感应电磁流系数，bn(t0)为t0时刻的激励矩阵，每个具体元素满足：
I(t)为动态感应系数矩阵，m,n表示ZN×N(t)中对应元素的行号和列号，且满足：
I(t)＝[a1(t),a2(t),.....,aP(t)]T
P表示总的采样时刻，满足：
其中，电磁波矩阵方程为时变方程，具有目标振动特性矩量法的阻抗矩阵Zn×n(t)是变化的，则不同目标振动状态下得到的电磁波矩阵方程也不同。
步骤3.2：根据电磁场矩阵方程，计算出不同采样时刻下的目标表面感应电磁流系数ap(t)(p＝1,2,......P表示采样时刻)。
步骤3.3：基于多层快速多极(MLFMA)算法，对电磁波矩阵方程进行分组转化，在相邻振动模态时间采样间隔上，利用前一时刻仿真得到的目标表面感应电磁流系数作为本次初值开展迭代计算，从而获得不同采样时刻下的高精度目标电磁散射回波数据；其中图4(a)表示最底层的盒子相互作用，图4(b)表示多层的层级结构，迭代计算满足：
其中，Bm表示由m的附近组构成的集合；Gn表示由第n个组中心的基函数构成的集合；为场组内基函数的配置因子，且满足：
为源组内基函数的聚合因子，且满足：
为远组间的耦合矩阵，且满足：
其中，迭代计算是对目标振动过程进行离散时间采样，不同振动模态下的矩量法矩阵方程的初始解为前一个时刻的解，极大的减小当前采样时刻的迭代计算次数。
非刚体目标振动为不同部件的振动幅度不一致，但振动周期相同，通过对目标进行离散采样(表面或体)后，用各个节点的振动进行描述，并建立与电磁场基函数的关联关系。
不同于刚体目标运动，非刚体目标振动的阻抗矩阵Zn×n(t)在不同采样时刻下是变化的；不同采样时刻下必须重新计算才能确保仿真精度。
在本实施例中，采用MLFMA算法实现非刚体目标的高效快速计算，为保证仿真精度，一个振动周期内选择30个采样时间点；对于不同的采样时刻(除0时刻)，每次迭代初值不必从0开始，开始利用前一时刻的采样值。
MLFMA算法是首先将目标区域按照八叉树方式划分为远亲组和近亲组，不同组之间的电磁散射作用耦合到盒子组中心，利用每个盒子中心的电磁波代表整个盒子内电磁波的贡献，不同目标部件上的感应电磁波对其他部件的耦合作用通过相应盒子组中心来转换代替，而不是每个基函数之间的相互作用。MLFMA算法的具体步骤包括：
最细层的多基展开：将最细层盒子组包含的电磁波集中到盒子中心上；
多级聚合：将电磁波源组盒子中心的电磁波集中到父层组盒子的中心位置处，至到第二层结束；
多级转移：从第二层开始，将源组盒子中心的电磁波贡献传递到远亲组盒子的组中心上，完成最高层盒子的耦合；
多级配置：从第二层盒子开始，向子层盒子组中心进行配置，至到最细曾结束，每次配置中既有父层组盒子中心的贡献，也有本层组远亲组盒子的贡献；
部分场展开：将最细层盒子组中心的电磁波贡献传播到盒子内的基函数上，完成电磁波远区耦合；
直接计算的贡献：将上述电磁波贡献与直接计算部分得到场累加完成整个区域的迭代计算。
步骤4：根据不同采样时刻下的高精度目标电磁散射回波数据，计算出不同激励条件下的具有目标振动状态的电磁场描述模型Esct(r(t))，从而获得非刚体目标局部振动下的电磁散射特征。
目标散射回波数据的周期特性与目标自身振动周期是振动幅度等信息是线性映射关系，通过雷达散射回波信号可直接反演非刚体目标振动状态，进而为目标飞行状态(高度、大气密度、速度等)参数确定提供了理论依据。
本发明的工作原理：
外来电磁波照射局部振动的非刚体目标，形成感应电磁流和电磁散射场；基于RWG基函数，对所述感应电磁流展开，获得具有目标振动特性的感应电磁流；根据所述具有目标振动特性的感应电磁流和所述电磁散射场，构建出具有目标振动状态的电磁场描述模型；基于MLFMA算法，根据所述具有目标振动状态的电磁场描述模型进行快速多极计算，获得不同采样时刻下的高精度目标电磁散射回波数据；根据所述不同采样时刻下的高精度目标电磁散射回波数据，计算出不同激励条件下的所述具有目标振动状态的电磁场描述模型，从而获得非刚体目标局部振动下的电磁散射特征。
综上所述，本发明一种分布式多视角下非刚体目标电磁散射建模方法，解决了常规电磁散射特性仿真建模技术将目标当做刚体开展电磁求解，对非刚体目标电磁特性分析逼真度较差的问题，将不同基函数的振动特性映射到电磁场矩量法的空间分组中心，开展迭代计算，获取非刚体目标在不同探测角度下的雷达散射回波，提升了仿真建模的适应性和精确度，为非刚体目标电磁散射特性分析提供了有效技术手段。
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 (9)
1.一种分布式多视角下非刚体目标电磁散射建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：电磁波照射局部振动的非刚体目标，并基于RWG基函数，获得具有目标振动特性的感应电磁流；
步骤2：根据所述具有目标振动特性的感应电磁流，构建出具有目标振动状态的电磁场描述模型；
步骤3：基于MLFMA算法，根据所述具有目标振动状态的电磁场描述模型进行快速多极计算，获得不同采样时刻下的高精度目标电磁散射回波数据；
步骤4：根据所述不同采样时刻下的高精度目标电磁散射回波数据，计算出不同激励条件下的所述具有目标振动状态的电磁场描述模型，从而获得非刚体目标局部振动下的电磁散射特征。
2.如权利要求1所述的分布式多视角下非刚体目标电磁散射建模方法，其特征在于，获得所述具有目标振动特性的感应电磁流包括以下步骤：
步骤1.1：外来电磁波照射局部振动的非刚体目标，在非刚体目标表面形成感应电磁流J，且所述感应电磁流J在外界空间产生电磁散射场；
步骤1.2：基于RWG基函数，对所述感应电磁流J展开，获得具有目标振动特性的感应电磁流。
3.如权利要求2所述的分布式多视角下非刚体目标电磁散射建模方法，其特征在于，所述电磁散射场为Es,Hs，且分别满足：
其中，为虚数单位；s为散射场标识；μ为空间背景的磁导率；/>
为入射电磁波角频率；τ'为积分标识，k为波数，为梯度算子，/>为散度算子；G为自由空间的格林函数，且满足：
G＝e-ikR/(4πR)。
4.如权利要求3所述的分布式多视角下非刚体目标电磁散射建模方法，其特征在于，所述具有目标振动特性的感应电磁流为J(r)，且满足：
其中，r为相邻平面三角形贴片内部的位置矢量；N为基函数的个数；±为RWG基函数对应的两个相邻平面三角形贴片；Ai(t)为相邻平面三角形贴片中第i个顶点的振动幅度信息；s(t)为相邻平面三角形贴片中第i个顶点的相位移动信息；t为时间；Ln为对应基函数的线段长度；an为感应电磁流展开系数；Tn为对应基函数相关的三角形编号；ρi为相邻平面三角形贴片中第i个顶点的位置信息，且满足：
其中，为相邻平面三角形贴片中第i个顶点初始时刻的位置信息；nn为目标的剖分顶点个数。
5.如权利要求4所述的分布式多视角下非刚体目标电磁散射建模方法，其特征在于，所述具有目标振动状态的电磁场描述模型为Esct(r(t))，且满足：
其中，r(t)和r'(t)分别对应不同采样时刻下的相邻平面三角形贴片内部的位置矢量。
6.如权利要求5所述的分布式多视角下非刚体目标电磁散射建模方法，其特征在于，所述快速多极计算包括以下步骤：
步骤3.1：对电磁场描述模型进行匹配，生成电磁波矩阵方程；
步骤3.2：根据电磁波矩阵方程，计算出不同采样时刻下的目标表面感应电磁流系数；
步骤3.3：基于MLFMA算法，在相邻振动模态采样间隔上，利用上一次仿真得到的所述目标表面感应电磁流系数作为本次初值开展迭代计算，从而获得不同采样时刻下的高精度目标电磁散射回波数据。
7.如权利要求6所述的分布式多视角下非刚体目标电磁散射建模方法，其特征在于，所述电磁波矩阵方程满足：
ZN×N(t0)IN×1(t0)＝bN×1(t0)
其中，ZN×N(t0)为t0时刻的阻抗矩阵，IN×1(t0)为t0时刻的感应电磁流系数，bn(t0)为t0时刻的激励矩阵，每个具体元素满足：
I(t)为动态感应系数矩阵，m,n表示ZN×N(t)中对应元素的行号和列号，且满足：
I(t)＝[a1(t),a2(t),.....,ap(t)]T
P表示总的采样时刻，满足：
8.如权利要求6所述的分布式多视角下非刚体目标电磁散射建模方法，其特征在于，所述迭代计算满足：
其中，Bm表示由m的附近组构成的集合；Gn表示由第n个组中心的基函数构成的集合；为场组内基函数的配置因子，且满足：
为源组内基函数的聚合因子，且满足：
为远组间的耦合矩阵，且满足：
9.如权利要求1所述的分布式多视角下非刚体目标电磁散射建模方法，其特征在于，所述目标振动特性包络目标RCS和多普勒回波特征信号。
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