CN112816794A - 天线波束照射下近场动态海面电磁波强度分布可视化方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电磁仿真技术领域，公开了一种天线波束照射下近场动态海面电磁波强度分布可视化方法。选取合适的海谱生成动态海面模型，输入海面初始参数，包括采样点数、尺寸；设置风速、风向、风区、时间导入海谱模型，设置伪随机过程白噪声参量。输入天线入射角及天线与海面的距离；导入天线方向图，将天线方向图文件导入到程序获取天线方向图中不同方向及位置的电磁场强度值；建立模型后，对天线波束照射下的海面电磁波强度进行运算求解，得出天线照射下的电磁波在动态海面分布情况。本发明可以实现近场天线波束照射下动态海面的电磁波强度分布的可视化结果，为动态雷达照射下的海面研究奠定一定的基础。

Description

天线波束照射下近场动态海面电磁波强度分布可视化方法

技术领域

本发明属于电磁仿真技术领域，尤其涉及一种天线波束照射下近场动态海面电磁波强度分布的可视化方法。

背景技术

近年来，由于通信技术和雷达技术的快速发展，天线孔径越来越大以及周围的电磁环境复杂度的提高，加之人们对精确度和效率等方面要求的提高。远场测量系统逐渐被近场测量所取代。国内许多单位已经把传统的远场测量升级为近场测量系统，远场测量主要被用作验证使用。雷达技术不断进步，其发射频率也在不断提高，特别是对于末端制导雷达来说，工作频率通常都在较高的微波段和毫米波段，据悉国外最新研发的远程反舰导弹的工作波段可能已达到毫米级。根据近远场的划分标准，接收天线通常都会处于目标的散射近场区域。

近场电磁散射的计算方法在早期主要是在远场的计算方法上加以修正使其适用于近场散射条件。最早美国学者采用多点目标模型给出引信近场目标散射特性。S.W.Lee团队和 DEMACO公司联合开发了NcPTD，NcPTD是通过在天线与目标距离不是足够远的情况，对入射波进行球面波近似，然后改进物理绕射理论使其能够计算近场电磁散射。C.LongYu等人研究了导弹导引头波束照射下目标散射特性。此外，诸多文献中讲述的发射天线方向图很多是来自于理论的解析表达，这与实际应用中的天线照射有着很大的区别。其次，许多文献只是计算了电磁测量散射结果，并没有做到实时可视化预估。不能直观的观察到天线波束照射到目标后电磁波的强度分布。

综上所述，近场电磁波照射海面的可视化研究较少，算出的绝大部分只是电磁散射数值结果。早期的天线方向图来源于解析表达式，与实际情况相差较大，需考虑更为精准的天线照射方向以及位置。针对导弹上引信和导引头对于目标探测与识别的需要。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：近场电磁波照射海面的可视化研究较少，算出的绝大部分只是电磁散射数值结果。早期的天线方向图来源于解析表达式，与实际情况相差较大，需考虑更为精准的天线照射方向以及位置。

解决以上问题及缺陷的难度为：选用PM海谱生成动态海面，并用实际喇叭天线的方向图建立波束照射海面目标模型图，分析了天线和目标之间距离以及天线方向图对目标近场照射特性，此外也分析了天线波束照射下目标和海面的电磁波束的分布情况。

解决以上问题及缺陷的意义为：在近场条件下使得天线波束照射动态海面的电磁波强度分布可视化，同时为近场动态雷达照射海面的电磁散射研究提供一定的基础。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种天线波束照射下近场动态海面电磁波强度分布可视化方法。

本发明是这样实现的，一种天线波束照射下海面近场电磁波强度分布可视化方法，所述天线波束照射下海面近场电磁波强度分布可视化方法包括：

海面模型的生成，输入海面初始参数，包括采样点数，海面模型的尺寸；

设置风速、风向、风区、时间，导入海谱模型，设置伪随机过程白噪声参量，通过改变参量可以设置不同的海情；

输入天线入射角及天线与海面的距离；

导入天线方向图，将天线方向图文件导入到程序后，获取天线方向图中不同方向及位置的电磁场强度值；

建立模型后，对天线波束照射下的海面电磁波强度进行运算求解，得出天线照射下的电磁波在动态海面分布强度分布的可视化结果。

进一步，所述天线波束照射下近场动态海面电磁波强度分布可视化方法海谱使用PM谱；波数谱模型：

其中α和β是不变量其值分别为α＝8.1×10^-3，β＝0.74，其中U_19.5表示海面上方19.5m处的风速；

PM谱中随方向变化的分布函数为：

从解析表达式中可知，PM波数谱对方向的拓展特性与波数K无关；

将一维波数谱和方向分布函数相乘，得到二维PM谱：

线性过滤海面建模法的是将不同功率密度的海波通过傅里叶逆变换实现时频转换，对于 PM谱来说，导数为：

令导数等于零，得谱峰位置为：

将K_p代入PM海谱函数，得谱峰值为：

海面的均方根高度表示为：

海浪主波长指的是能量最高的海谱谱峰所对应的海浪波长，其和谱峰值唯一相关，表示为：

对于离散化的序列，常用自相关系数ρ(R)表示序列中距离为R处的两点之间的联系程度，应用于海面模型分析时，还常用相关长度l_c分析，其定义为海面模型中两点的自相关系数ρ(R)下降为最高值ρ(0)的1/e时的距离R；如果海面模型上两点的距离超过l_c时，近似的认为海面模型上的这两点从统计学的角度上判断是相互独立的；在极限情况下，即当海面是完全光滑时，面上每两点之间都是完全相关的，即ρ(R)＝1，而l_c＝∞，对于PM谱相关长度表示为：

主波浪K_p对海面的调制更明显，当K≤K_p时，海面主要受到长重力波的作用，而当 K＞K_p时，短重力波和张力波对海面轮廓的构造作用更明显。

进一步，所述天线波束照射下近场动态海面电磁波强度分布可视化方法采用线性叠加法生成海面，其海面上任意一点的波动多个看做无限振幅、频率和初相均不相同，不同角度方向传播简单余弦波的叠加，二维海面表示为：

式中，a_ij、ω_i、k_i、Φ_j、

分别为第i个余弦波的振幅、角速度、波数、方向角和初始相位，波数k_i，与频率ω_i之间满足ω²＝gk的色散关系，

为[0,2π]之间均匀分布的随机变量；(x,y)为波点位置；t为时间矢量；

振幅a_ij，满足瑞利分布，且有

通常由下式确定：

式中：W(k,Φ)为二维海面的方向频率谱。

进一步，采用的海谱大尺度波与小尺度波波数分界线为k_i，小尺度波数最大值为k₂，把波数范围划分为M个等波数间隔的区间，则大尺度波数间间隔为：

k_j＝k_i+(j-1)Δk(j＝1,2,···M)；

小尺度波数间间隔为：

k_j＝k_i+(j-1)Δk(j＝1,2,···M)；

实际的海洋能量多分布在方向两侧

的范围内，若分成N个方位区间，则方向间隔为：

二维海谱截断为：

海面生成通过数值仿真实现。

进一步，所述天线波束照射下近场动态海面电磁波强度分布可视化方法载入天线方向图，天线周围的场通常划分为三个区域：感应场区、辐射近场区和辐射远场区；感应场区也称无功近场区是离天线口径较近的区域，距离为λ/2π，该区域电场与磁场的转换与变压器中电场与磁场的转换相同，属于感应场；

天线辐射方向图是天线辐射能量随空间变化的图形表示，所谓辐射参量包括率通量密度、相位、场强、极化方向；通常情况下辐射方向图在远区测定，并表示为空间坐标的函数，称为方向图函数。

进一步，在距天线等距离的球面上，天线在各点产生的场强随空间方向

的变化曲线，称为场强方向图，它们的数学表示式称为场强方向函数，天线在

方向辐射的电场强度

的大小写为：

式中A₀与方向无关的常数，

场强方向函数，上式得：

实际上常用场强的归一化值表示方向图，称为归一化方向图，设

为

方向的电场强度，归一化场强方向图

为：

式中E_M表示场强的最大值。

本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

海面模型的生成，输入海面初始参数，包括采样点数，海面模型的尺寸；

设置风速、风向、风区、时间，导入海谱模型，设置伪随机过程白噪声参量，通过改变参量可以设置不同的海情；

输入天线入射角以及天线与海面的距离；

导入天线方向图，将天线方向图文件导入到程序里获得天线方向图中不同方向及位置的电磁场强度值；

建立模型后，对天线波束照射下的海面电磁波强度进行运算求解，得出天线照射下的电磁波在动态海面的分布结果。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

海面模型的生成，输入海面初始参数，包括采样点数，海面模型的尺寸；

设置风速、风向、风区时间，导入海谱模型，设置伪随机过程白噪声参量，通过改变参量可以设置不同的海情；

输入天线入射角以及天线与海面的距离；

导入天线方向图，将天线方向图文件导入到程序里，得出天线方向图中不同方向及位置的电磁场强度值；

建立模型后，对天线波束照射下的海面电磁波强度进行运算求解，得出天线照射下的电磁波在动态海面近场分布可视化结果。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述天线波束照射下近场动态海面电磁波强度分布可视化方法的天线波束照射下近场动态海面电磁波强度分布可视化方法系统，所述天线波束照射下近场动态海面电磁波强度分布可视化方法系统包括：

海面模型生成模块，用于选取海谱模型生成海面，输入风区、白噪声参量，通过改变参量设置不同的海情；

导入天线方向图模块，用于设置天线入射角以及天线与海面的距离，读出天线方向图中不同方向及位置的电磁场强度值；

海面分布可视化结果输出模块，用于建立模型后，对天线波束照射下的海面电磁波强度进行运算求解，得出近场条件下天线照射下的电磁波在动态海面的强度分布可视化结果。

本发明的另一目的在于提供一种近场电磁波照射海面的可视化终端，所述近场电磁波照射海面的可视化终端用于实现所述的天线波束照射下近场动态海面电磁波强度分布可视化方法。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：在基于Matlab的软件下，选取PM海谱模型进行海面生成和仿真计算，导入天线方向图后，设置天线的相对位置照射海面，经过本程序运算后，可得出天线照射下电磁波在海面的强度分布情况。本发明在天线波束照射下动态海面近场电磁场强度分布情况，并通过Matlab程序运算出天线照射波束照射海面的波束强度情况并直观的在动态海面上显示出强度分布图。

表1实验数据和仿真效果图对比

根据实际喇叭天线的方向图建立波束照射目标的模型图，分析了天线和目标之间距离以及天线方向图对目标近场电磁特性的研究。

在近场条件下天线照射目标时，在目标上电磁波分布强度可视化的计算方法。只需将海面目标模型替换成其他的目标模型，具有普遍的适用性。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明包括：海面模型的生成，选取海谱模型生成海面，输入风区、白噪声等参量。通过改变参量可以设置不同的海情；导入天线方向图，设置天线入射角及天线与海面的距离，获取天线方向图中不同方向及位置的电磁场强度值；建立模型后，对天线波束照射下的海面电磁波强度进行运算求解，得出天线波束照射下的电磁波在海面分布可视化结果。本发明将天线波束照射下的目标表面的电磁场强度分布通过一定的算法转变成可视化的强度分布图。对分析和解决近场条件下的目标表面电磁场分布具有一定的积极意义。本发明天线理论，可以实现近场天线波束照射下海面的电磁波强度分布的可视化结果，为动态雷达照射及散射研究奠定一定的基础。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的天线波束照射下近场动态海面电磁波强度分布可视化方法流程图。

图2是本发明实施例提供的天线波束照射下近场动态海面电磁波强度分布可视化方法系统的结构示意图；

图2中：1、海面模型生成模块；2、导入天线方向图模块；3、海面分布可视化结果输出模块。

图3是本发明实施例提供的不同风速下的PM谱示意图。。

图4是本发明实施例提供的天线近远场划分示意图。。

图5是本发明实施例提供的球坐标系下天线方向示意图。

图6是本发明实施例提供的喇叭天线的天线方向图。

图7是本发明实施例提供的矩形孔衍射天线的天线方向图。

图8是本发明实施例提供的喇叭天线示意图。

图9是本发明实施例提供的天线E面和H面方向图。

图10是本发明实施例提供的入射角θ＝60°,

R＝100m，风速5m/s，风向角90°示意图。

图11是本发明实施例提供的入射角θ＝60°,

R＝200m，风速5m/s，风向角90°示意图。

图12是本发明实施例提供的入射角θ＝60°,

R＝600m，风速5m/s，风向角90°示意图。

图13是本发明实施例提供的入射角θ＝90°,

R＝100m，风速5m/s，风向角90°示意图。

图14是本发明实施例提供的入射角θ＝90°,

R＝200m，风速5m/s，风向角90°示意图。

图15是本发明实施例提供的入射角θ＝90°,

R＝600m，风速5m/s，风向角90°示意图。

图16是本发明实施例提供的入射角θ＝120°,

R＝100m，风速5m/s，风向角90°示意图。

图17是本发明实施例提供的入射角θ＝120°,

R＝200m，风速5m/s，风向角90°示意图。

图18是本发明实施例提供的入射角θ＝120°,

R＝600m，风速5m/s，风向角90°示意图。

图19是本发明实施例提供的入射角θ＝60°,

R＝600m，风速15m/s，风向角90°示意图。

图20是本发明实施例提供的入射角θ＝60°,

R＝50m，风速25m/s，风向角90°示意图。

图21是本发明实施例提供的入射角θ＝60°,

R＝50m，风速5m/s，风向角60°示意图。

图22是本发明实施例提供的入射角θ＝60°,

R＝50m，风速5m/s，风向角120°示意图。

图23是本发明实施例提供的布满吸波材料暗室示意图。

图24是本发明实施例提供的三D打印海面模型示意图。

图25是本发明实施例提供的入射角θ＝60°,

R＝100m，风速5m/s，风向角90°实验结果示意图。

图26图25是本发明实施例提供的入射角θ＝60°,

R＝200m，风速5m/s，风向角90°实验结果示意图。

图27图25是本发明实施例提供的入射角θ＝60°,

R＝600m，风速5m/s，风向角90°实验结果示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种天线波束照射下近场动态海面电磁波强度分布可视化方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明提供的天线波束照射下近场动态海面电磁波强度分布可视化方法包括以下步骤：

S101：海面模型的生成，输入海面初始参数，包括采样点数，海面模型的尺寸，由PM谱生成动态的海面；

S102：设置风速、风向、风区、时间，导入海谱模型，设置伪随机过程白噪声参量；

S103：输入天线入射角及天线与海面的距离；

S104：导入天线方向图，将天线方向图文件导入到程序里获得天线方向图中不同方向及位置的电磁场强度值；

S105：建立模型后，对天线波束照射下的海面电磁波强度进行运算求解，然后，得出天线照射下的近场电磁波在动态海面分布的可视化结果。

本发明提供的天线波束照射下近场动态海面电磁波强度分布可视化方法业内的普通技术人员还可以采用其他的步骤实施，图1的本发明提供的天线波束照射下近场动态海面电磁波强度分布可视化方法仅仅是一个具体实施例而已。

如图2所示，本发明提供的天线波束照射下近场动态海面电磁波强度分布可视化方法系统包括：

海面模型生成模块1，用于选取海谱模型生成海面，输入风区、白噪声等参量。通过改变参量可以设置不同的海情。

导入天线方向图模块2，用于设置天线入射角及天线与海面的距离，读出天线方向图中不同方向及位置的电磁场强度值。

海面分布可视化结果输出模块3，用于建立模型后，对天线波束照射下的动态海面电磁波强度进行运算求解，得出天线照射下的电磁波在海面分布可视化结果。

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。

本发明提供的天线波束照射下近场动态海面电磁波强度分布可视化方法包括以下步骤：

(1)海谱模型说明；

海谱体现了海浪的能量统计分布情况，是各频段和传播方向上海浪能量的组合。实际上反映了是各波长海面的功率密度函数。有效的海普模型是正确表达海面轮廓的关键。目前常见的海普主要有PM谱、Fung谱、Elfouhaily谱、DV谱和NRL谱，本发明使用的是PM谱。

Pierson和Moskowitz在20世纪60年代根据前期在北大西洋海面场景的应用中获得的大量海洋观测资料谱，进行了大量分析后得到了海浪的统计意义上的平均谱分布，再经过多次数学拟合后得到如下的波数谱模型：

其中α和β是不变量其值分别为α＝8.1×10^-3，β＝0.74，其中U_19.5表示海面上方19.5m处的风速。

PM谱中随方向变化的分布函数为：

从解析表达式中可知，PM波数谱对方向的拓展特性与波数K无关。

将一维波数谱和方向分布函数相乘，即可得到二维PM谱：

线性过滤海面建模法的核心是将不同功率密度的海波通过傅里叶逆变换实现时频转换，风驱起伏海面决定了必须有一个主波浪，体现着海面的主要波动特性，主波浪对应于频域就是谱峰，海谱中必定有一个处于最高功率密度的谱峰，谱峰有且只有一个，对于PM谱来说，其导数为：

令其导数等于零，可得谱峰位置为：

将K_p代入PM海谱函数，可得其谱峰值为：

PM海谱作为一种应用比较广泛的海谱模型，可将其作为研究海谱函数和粗糙海面的一个范本，一些与海面几何特征相关的基本参数可以推到出来，如海面的均方根高度可以表示为：

海浪主波长指的是能量最高的海谱谱峰所对应的海浪波长，其和谱峰值唯一相关，可表示为：

对于离散化的序列，本发明常用自相关系数ρ(R)表示序列中距离为R处的两点之间的联系程度，应用于海面模型分析时，还常用相关长度l_c来分析，其定义为海面模型中两点的自相关系数ρ(R)下降为最高值ρ(0)的1/e时的距离R。对此如果海面模型上两点的距离超过l_c时，就可以近似的认为海面模型上的这两点从统计学的角度上判断是相互独立的。海面自相关函数和相关长度有助于了解不同海谱函数的特点。在极限情况下，即当海面是完全光滑时，面上每两点之间都是完全相关的，即ρ(R)＝1，而l_c＝∞。对于PM谱来说，其相关长度可以表示为：

图3给出了不同风速条件下的PM海谱分布图，可以明显看到谱峰W_p的位置随着风速的增加而向低频处移动，谱峰值也随之迅速变大。这是由于风速增加时，风与海浪之间能量的交换更大，使得海浪受风驱动形成波动性更大的长波浪，主波浪K_p对海面的调制更明显。当 K≤K_p时，海面主要受到长重力波的作用，而当K＞K_p时，短重力波和张力波对海面轮廓的构造作用更明显。

(2)海面生成的方法

海面生成方法主要分为线性叠加法和蒙特卡罗法两种方法。本发明采用线性叠加法生成海面。根据随机海浪理论，海浪可看做是一平稳随机过程，其海面上任意一点的波动可多个看做无限振幅、频率和初相均不相同，不同角度方向传播简单余弦波的叠加。二维海面可表示为：

式中，a_ij、ω_i、k_i、Φ_j、

分别为第i个余弦波的振幅、角速度、波数、方向角和初始相位，波数k_i，与频率ω_i之间满足ω²＝gk的色散关系，

为[0,2π]之间均匀分布的随机变量；(x,y)为波点位置；tt为时间矢量。

振幅a_ij，满足瑞利分布，且有

通常由下式确定：

式中：W(k,Φ)为二维海面的方向频率谱。

假设本发明采用的海谱大尺度波与小尺度波波数分界线为k_i，小尺度波数最大值为k₂，把波数范围划分为M个等波数间隔的区间，则大尺度波数间间隔为：

k_j＝k_i+(j-1)Δk (j＝1,2,···M)；

小尺度波数间间隔为：

k_j＝k_i+(j-1)Δk (j＝1,2,···M)；

一般也可以用等分法划分方向。实际的海洋能量多分布在方向两侧

的范围内，若分成N个方位区间，则方向间隔为：

这样二维海谱可以截断为：

从而，海面生成可以通过数值仿真来实现。

(3)载入天线方向图

天线周围的场通常划分为三个区域：感应场区、辐射近场区和辐射远场区。感应场区也称无功近场区是离天线口径较近的区域，距离为λ/2π。该区域电场与磁场的转换与变压器中电场与磁场的转换相同，属于感应场。其特点是随着距离的增大而骤减。辐射近场区又名菲涅尔区，在此区域辐射场的角度分布与天线口径的距离有关。辐射远区又称夫琅禾费区，该区域辐射场的分布于和天线口径的距离无关。公认的，辐射近场区和远场区的分界线是 2D²/λ，其中D为天线口径的线度。其示意图如图4所示。

天线所辐射的电磁波能量在空间上的分布是不均匀的，这体现了天线的方向性。电和磁的基本振子也是有方向性的，没有方向性的天线是不存在的。天线辐射方向图是天线辐射能量随空间变化的图形表示。所谓辐射参量包括率通量密度、相位、场强、极化方向。通常情况下辐射方向图在远区测定，并表示为空间坐标的函数，称为方向图函数。

取球坐标系如图5所示，天线位于坐标原点。在距天线等距离的球面上，天线在各点产生的场强随空间方向

的变化曲线，称为场强方向图，它们的数学表示式称为场强方向函数。天线在

方向辐射的电场强度

的大小可以写为：

式中A₀与方向无关的常数，

场强方向函数，上式可以可得：

实际上常用场强的归一化值表示方向图，称为归一化方向图，设

为

方向的电场强度，归一化场强方向图

为：

式中E_M表示场强的最大值。

波瓣宽度可以用来表示天线辐射功率的集中程度，主瓣最大值两侧的两个零辐射方向之间的夹角称为零功率波瓣宽度；主瓣最大值两侧，功率通量密度下降到最大值的一半(或场强下降到最大值的0.707)，即下降3分贝的两个方向之间的夹角称为半功率波瓣宽度，其余的瓣称为旁瓣。在三维坐标系中用三维曲面来描绘的天线方向图称为立体方向图或空间方向图。本发明中如图6、图7所示分别为喇叭天线的天线和矩形孔衍射的天线方向图。立体方向图形象、直观，但画起来复杂。因此常用两个相互垂直的主平面方向图来研究高频天线，这两个主平面分别是E面和H面。E面为电场矢量和最大辐射方向所在的平面内，H面是磁场和最大辐射方向所在的平面。

如图8所示为喇叭天线示意图，图中蓝色细线所在的面为天线的H面，另一条弧线所在的面为天线的E面。图9给出了喇叭天线E面和H面的归一化天线方向图，可以看出在E面内有天线副瓣的存在，且副瓣较小，而在H面内没有天线副瓣的存在。

下面结合仿真对本发明的技术效果作详细的描述。

1、本实验包括以下步骤：

(1)设置海面模型尺寸及采样点数。海面最大尺寸为200m×200m，采样点数为10^3*10^3 个，将海面中心位置与直角坐标系原点重合。

(2)设置风速、风向、风区、时间。本发明在进行运行时，在风速风向设置参数上考虑了多种不同的条件。详细参数见表2。

(3)设置PM海谱，输入伪随机白噪声参数：设置端点分别为127和-127的伪随机数。生成随机粗糙海面。

(4)导入天线方向图。设置天线的入射俯仰角，入射方位角以及天线与海面的距离。具体仿真参数详见表2实验条件一览表。

(5)获取天线源点到目标节点矢量。计算出被照射海面电磁波每点强度，采用二维插值法进行处理后，得到海面被天线照射部分的电磁场强度分布。

表2仿真条件一览表

2、实验测量验证。为验证本发明的正确性，对仿真数据进行实测验证。因条件限制外场实验难以开展。故本实验是在一个布满吸波材料的暗室内进行的的进行的。实验场所如图23 所示。图24为3D打印海面模型，选用的海谱模型为PM谱，入射的风速大小为5m/s，风向角为600。海面的尺寸为2m*2m，是按原尺寸100:1进行缩比的海面模型。在喇叭天线照射下测量海面的电磁波强度的分布情况，与仿真效果图进行比较。分别与仿真实验条件中1～3，做比较。其实验效果图如图25～27所示。

3、仿真内容与结果

仿真1，采用表2中1～3的参数设置。结果如图10～图12所示，随着距离的增大照射天线在海面照射区域越接近一个完整的圆，其波的强度由圆的波中间向外逐渐减小。与实测波形比较吻合。

仿真2，采用表2中4～6的实验参数，结果如图13～图15所示，可见波形的最强点与海面中心位置重合，这和理论上是相符合的。波形由原点向外扩散，强度越来越小。在误差范围内与实测波形吻合的较好。

仿真3，采用表2中7～9的实验参数，结果如图16～图18所示，其结果与仿真1的结果镜像对称，因为其斜入射角角度是相同的。且其结果与实测结果在误差允许范围内吻合良好。

仿真4，采用表2中10～11号实验参数，结果如图19、图20所示，由图可以看到海浪明显随着风速的增加在增大，这与理论情况是相符的。其电磁波强度分布趋势与上述结果相同，由圆中心向外逐渐减小。

仿真5，采用表2中12～13号实验参数，结果如图21、图22所示，由图可知改变风向对电磁波强度分布影响不大，其电磁波整体分布不会有很明显的改变。

3、通过大量的实验仿真效果的评估，在相同条件下实验与仿真的对比在误差范围内吻合良好。因此本发明具有良好的实用性，能够为后续进一步研究近场海面照射下波强度分布或者天线照射其他目标下的电磁波的强度分布奠定提供一个好的算法依据。

应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或 DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种天线波束照射下近场动态海面电磁波强度分布可视化方法，其特征在于，所述天线波束照射下近场动态海面电磁波强度分布可视化方法包括：

海面模型的生成，输入海面初始参数，包括采样点数，海面模型的尺寸；

设置风速、风向、风区、时间，导入海谱模型，设置伪随机过程白噪声参量；

输入天线入射角及天线与海面的距离；

导入天线方向图，将天线方向图文件导入到程序里获取天线方向图中不同方向及位置的电磁场强度值；

建立模型后，对天线波束照射下的海面电磁波强度进行运算求解，得出天线照射下的电磁波在动态海面分布的可视化结果。

2.如权利要求1所述的天线波束照射下近场动态海面电磁波强度分布可视化方法，其特征在于，所述天线波束照射下近场动态海面电磁波强度分布可视化方法海谱使用PM谱；

波数谱模型：

其中α和β是不变量其值分别为α＝8.1×10^-3，β＝0.74，其中U_19.5表示海面上方19.5m处的风速；

PM谱中随方向变化的分布函数为：

从解析表达式中可知，PM波数谱对方向的拓展特性与波数K无关；

将一维波数谱和方向分布函数相乘，得到二维PM谱：

线性过滤海面建模法的是将不同功率密度的海波通过傅里叶逆变换实现时频转换，对于PM谱来说，导数为：

令导数等于零，得谱峰位置为：

将K_p代入PM海谱函数，得谱峰值为：

海面的均方根高度表示为：

海浪主波长指的是能量最高的海谱谱峰所对应的海浪波长，其和谱峰值唯一相关，表示为：

对于离散化的序列，常用自相关系数ρ(R)表示序列中距离为R处的两点之间的联系程度，应用于海面模型分析时，还常用相关长度l_c分析，其定义为海面模型中两点的自相关系数ρ(R)下降为最高值ρ(0)的1/e时的距离R；如果海面模型上两点的距离超过l_c时，近似的认为海面模型上的这两点从统计学的角度上判断是相互独立的；在极限情况下，即当海面是完全光滑时，面上每两点之间都是完全相关的，即ρ(R)＝1，而l_c＝∞，对于PM谱相关长度表示为：

主波浪K_p对海面的调制更明显，当K≤K_p时，海面主要受到长重力波的作用，而当K＞K_p时，短重力波和张力波对海面轮廓的构造作用更明显。

3.如权利要求1所述的天线波束照射下近场动态海面电磁波强度分布可视化方法，其特征在于，所述天线波束照射下近场动态海面电磁波强度分布可视化方法采用线性叠加法生成海面，其海面上任意一点的波动多个看做无限振幅、频率和初相均不相同，不同角度方向传播简单余弦波的叠加，二维海面表示为：

式中，a_ij、ω_i、k_i、Φ_j、

分别为第i个余弦波的振幅、角速度、波数、方向角和初始相位，波数k_i，与频率ω_i之间满足ω²＝gk的色散关系，

为[0,2π]之间均匀分布的随机变量；(x,y)为波点位置；tt为时间矢量；

振幅a_ij，满足瑞利分布，且有

通常由下式确定：

式中：W(k,Φ)为二维海面的方向频率谱。

4.如权利要求3所述的天线波束照射下近场动态海面电磁波强度分布可视化方法，其特征在于，采用的海谱大尺度波与小尺度波波数分界线为k_i，小尺度波数最大值为k₂，把波数范围划分为M个等波数间隔的区间，则大尺度波数间间隔为：

k_j＝k_i+(j-1)Δk (j＝1,2,···M)；

小尺度波数间间隔为：

k_j＝k_i+(j-1)Δk (j＝1,2,···M)；

实际的海洋能量多分布在方向两侧

的范围内，若分成N个方位区间，则方向间隔为：

二维海谱截断为：

海面生成通过数值仿真实现。

5.如权利要求1所述的天线波束照射下近场动态海面电磁波强度分布可视化方法，其特征在于，所述天线波束照射下近场动态海面电磁波强度分布可视化方法载入天线方向图，天线周围的场通常划分为三个区域：感应场区、辐射近场区和辐射远场区；感应场区也称无功近场区是离天线口径较近的区域，距离为λ/2π，该区域电场与磁场的转换与变压器中电场与磁场的转换相同，属于感应场；

天线辐射方向图是天线辐射能量随空间变化的图形表示，所谓辐射参量包括率通量密度、相位、场强、极化方向；通常情况下辐射方向图在远区测定，并表示为空间坐标的函数，称为方向图函数。

6.如权利要求5所述的天线波束照射下近场动态海面电磁波强度分布可视化方法，其特征在于，在距天线等距离的球面上，天线在各点产生的场强随空间方向

的变化曲线，称为场强方向图，它们的数学表示式称为场强方向函数，天线在

方向辐射的电场强度

的大小写为：

式中A₀与方向无关的常数，

场强方向函数，上式得：

实际上常用场强的归一化值表示方向图，称为归一化方向图，设

为

方向的电场强度，归一化场强方向图

为：

式中E_M表示场强的最大值。

7.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

海面模型的生成，输入海面初始参数，包括采样点数，海面模型的尺寸；

设置风速、风向、风区、时间，导入海谱模型，设置伪随机过程白噪声参量，通过改变参量可以设置不同的海情；

输入天线入射角及天线与海面的距离；

导入天线方向图，将天线方向图文件导入到程序里获取天线方向图中不同方向及位置的电磁场强度值；

建立模型后，对天线波束照射下的动态海面电磁波强度进行运算求解，得出天线局部照射下的电磁波在海面分布可视化结果。

8.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

海面模型的生成，输入海面初始参数，包括采样点数，海面模型的尺寸；

设置风速、风向、风区、时间，导入海谱模型，设置伪随机过程白噪声参量，通过改变参量可以设置不同的海情；

输入天线入射角、入射方位角以及天线与海面的距离；

导入天线方向图，将天线方向图文件导入到程序里，读出天线方向图中不同方向及位置的电磁场强度值；

建立模型后，对天线波束照射下的海面电磁波强度进行运算求解，得出天线照射下的电磁波在动态海面分布可视化结果。

9.一种实施权利要求1～6任意一项所述天线波束照射下近场动态海面电磁波强度分布可视化方法的天线波束照射下近场动态海面电磁波强度分布可视化方法系统，其特征在于，所述天线波束照射下海面近场电磁波强度分布可视化系统包括：

海面模型生成模块，用于选取海谱模型生成海面，输入风区、白噪声参量，通过改变参量设置不同的海情；

导入天线方向图模块，用于设置天线入射角以及天线与海面的距离，读出天线方向图中不同方向及位置的电磁场强度值；

海面分布可视化结果输出模块，用于建立模型后，对天线波束照射下的海面电磁波强度进行运算求解，得出天线近场照射下的电磁波在动态海面分布的可视化结果。

10.一种近场电磁波照射海面的可视化终端，其特征在于，所述近场电磁波照射海面的可视化终端用于实现权权利要求1～6任意一项所述的天线波束照射下海面近场电磁波强度分布可视化方法。

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