CN113158485B - 近场条件下电大尺寸目标的电磁散射仿真方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了近场条件下电大尺寸目标的电磁散射仿真方法，包括以下步骤：S1、根据与真实目标雷达场景相应的雷达天线参数构建由偶极子阵列组成的天线辐射特性等效模型；S2、设置目标平台的物理参数和位置参数和观测区域的物理参数和位置参数，使得目标平台与雷达天线处于近场状态；S3、将偶极子阵列中的偶极子源视为辐射源，然后在散射条件参数下、采用高频方法计算目标平台在辐射源照射下的电磁散射总场；S4、将电磁散射总场可视化处理。本发明具备非常高的仿真精度和不失真特性，同时其具备非常低的内存计算损耗和快速的计算效率。

Description

近场条件下电大尺寸目标的电磁散射仿真方法
技术领域
本发明涉及一种电磁散射仿真方法，具体涉及一种近场条件下电大尺寸目标的电磁散射仿真方法。
背景技术
实际工程应用中，通常根据远场条件准则
Figure BDA0003054160980000011
(其中，r为雷达到目标的观测距离，D表示目标尺寸，λ表示雷达波波长)将雷达天线场区分为近场与远场两部分。现有目标电磁散射研究大多针对远场区，该区域中电磁散射特性仅与目标的几何形状、材料电磁特性以及入射波频率、角度、极化相关，而与雷达天线本身无关，因此可以基于“传统远场平面波模型”计算远场目标电磁散射特性。
然而在一些特殊雷达场景中(例如：200m长度的舰船，X波段下的远场距离超过1000Km)，受制于有限的观测距离，远场条件准则难以满足，目标往往处于雷达近场区域，对此类场景的电磁散射研究也是十分重要的。在该场景中，接收到的目标雷达回波信号除了受到上述远场条件下的因素影响外，还与雷达天线辐射特性及观测距离之间同样存在着复杂的相关性，如何构建雷达天线电磁特性模型及基于该模型的电磁散射计算方法修正将是近场区域电磁散射计算中亟待解决的关键问题。
现有针对目标近场条件下的电磁散射模型及相关理论的研究相对较少，主要包括以下几个方面：
采用数值法直接求解近场天线照射下目标散射特性，该方法精度高，但限于计算效率低、占用空间大等原因，无法处理电大场景下目标电磁散射问题。基于物理光学-弹跳射线法的高频方法具有解决电大场景下目标电磁散射计算能力，因此受到更大的重视。
现有研究大多采用“点源模型”作为天线辐射特性，电磁波以点源为中心向自由空间均匀辐射，辐射场大小与点源到目标的距离及自身大小有关，其结构简单、易于实现。然而实际场景中辐射源所产生的辐射场均具有一定方向性，不存在理想点源，所以该方法无法真实反映目标散射特性。
部分研究对原有“点源模型”进行修正，提出“近场方向图等效模型”，通过对理想点源与方向性函数进行相乘，以此表征天线的方向性。但天线方向图仅适用于天线位于远场条件的情况，当天线与目标距离也不满足天线远场条件时，该方法失效。
同时，现有技术中，也有采用商业软件Feko，以矩量法进行仿真，虽然该方法可以达到所需要的计算精度，但同时存在内存消耗大、计算效率低等缺点。
发明内容
本发明针对真实雷达场景下的目标雷达特征信号的探测需求，建立基于射线追踪方法和偶极子等效模型下目标近场电磁散射仿真方法，突破实际工程环境下的近场电磁散射建模关键技术，该方法可以提高仿真精度，同时其内存消耗小、计算效率高。
本发明通过下述技术方案实现：
近场条件下电大尺寸目标的电磁散射仿真方法，包括以下步骤：
S1、根据与真实目标雷达场景相应的雷达天线参数构建由偶极子阵列组成的天线辐射特性等效模型；
S2、设置目标平台的物理参数和位置参数和观测区域的物理参数和位置参数，使得目标平台与雷达天线处于近场状态；
S3、将偶极子阵列中的偶极子源视为辐射源，然后在散射条件参数下、采用高频方法计算目标平台在辐射源照射下的电磁散射总场；
S4、将电磁散射总场可视化处理。
本发明的设计原理为：本发明通过等效偶极子来模拟天线辐射特性，然后再通过对各个偶极子对目标近场电磁散射建模仿真，从而实现整体等效偶极子模型下的目标近场电磁散射。该方法避免了“传统远场平面波模型”以及“近场方向图等效模型”两种处理方法的局限。
天线辐射特性等效模型基于偶极子阵列构建，该阵列中的偶极子均匀分布于包围天线的最小球面上。通过匹配天线(实测)及等效模型辐射场展开式中不同模式系数，进而严格求解得到等效模型具体参数。理论上，该方法对天线的等效具有“不失真”特性，其计算精度要高于“近场方向图等效模型”，该方法第一次被应用于目标电磁散射问题之中。
通过对一系列偶极子阵列构建，进一步建立不同位置下单个偶极子的目标电磁散射仿真，进而得到所有偶极子下的目标电磁散射总贡献，最终实现模拟出近场条件下该天线对目标的电磁散射特性。
进一步的技术方案有：
所述天线辐射特性等效模型根据球面波函数展开式模型匹配原理重构获得。
天线辐射特性等效模型的重构过程为：
S11、获取雷达天线参数，雷达天线参数包括：根据真实目标雷达场景的辐射场数据而导入的辐射场
Figure BDA0003054160980000021
包围雷达天线的最小球面半径rmin、雷达天线的工作频率f；
S12、采用最小球面半径rmin、工作频率f计算获得偶极子的空间分布，获得由偶极子阵列构成的天线辐射特性等效模型；
S13、使用球面波函数展开式模型对天线辐射特性等效模型的辐射场
Figure BDA0003054160980000031
进行展开处理，获得辐射场
Figure BDA0003054160980000032
的展开式；
S14、使用球面波函数展开式模型对导入的辐射场
Figure BDA0003054160980000033
进行展开处理，获得辐射场
Figure BDA0003054160980000034
的展开式；
S15、将辐射场
Figure BDA0003054160980000035
的展开式的系数和辐射场
Figure BDA0003054160980000036
的展开式的系数进行匹配，求解获得辐射场
Figure BDA0003054160980000037
的展开式的系数的匹配值；
S16、根据辐射场
Figure BDA0003054160980000038
的展开式的系数的匹配值计算偶极子空间分布处电偶极子与磁偶极子的偶极矩；将偶极子空间分布处电偶极子与磁偶极子的偶极矩赋予天线辐射特性等效模型获得重构的天线辐射特性等效模型。
在本发明中，为了实现天线辐射特性等效模型的构建，其先利用偶极子阵列构成的天线辐射特性等效模型，此时的等效模型还是一种理论模型，为了将该理论等效模型转为可用的等效模型，其先导入辐射场
Figure BDA0003054160980000039
而辐射场
Figure BDA00030541609800000310
是根据对雷达天线进行实测获得一组数据。然后我们将辐射场
Figure BDA00030541609800000311
和理论等效模型的辐射场
Figure BDA00030541609800000312
在球面波函数展开式模型下进行展开，这样就可以获得其理论等效模型的辐射场
Figure BDA00030541609800000313
的系数的匹配值；这样就可以获得可用于散射计算所需的等效模型，这个过程借助了实测的辐射场
Figure BDA00030541609800000314
和球面波函数展开式模型从而获得等效模型具体参数。
具体的：所述偶极子的空间分布通过球坐标表示为
Figure BDA00030541609800000315
其中，θn代表第n个偶极子空间分布处的俯仰角，
Figure BDA00030541609800000316
代表第n个偶极子空间分布处的方位角；设有圆环Cp分布于最小球面上，圆环Cp任意点均具有相同俯仰角θp，利用俯仰角θp对圆环Cp位置进行描述，有
Figure BDA00030541609800000317
偶极子阵列均匀分布于这些圆环上，位于圆环Cp处的偶极子空间分布方位角
Figure BDA00030541609800000318
由下式定义：
Figure BDA00030541609800000319
其中，Nmax＝[krmin]+10，[·]为取整符，k为波数，
Figure BDA00030541609800000320
c为光速；
辐射场
Figure BDA00030541609800000321
的展开式为(1)式：
Figure BDA0003054160980000041
(1)式中，Ls为天线辐射特性等效模型所包含的偶极子空间分布总数，
Figure BDA0003054160980000042
为第n个偶极子辐射场展开式系数，简写为：
Figure BDA0003054160980000043
Figure BDA0003054160980000044
为第n个偶极子辐射场展开式中第j个转移因子，简写为
Figure BDA0003054160980000045
的大小由偶极子位置矢量
Figure BDA0003054160980000046
决定，转移因子可由文献[1]中所述求解(文献[1]：J.R.James,”Spherical Near-Field AntennaMeasurements”,IEE Review.,vol 34,pp.414-414,Jan 1988.)，转移因子的获取方式属于现有技术，再此不在赘述；变量上标中e,m分别代表电偶极子及磁偶极子，x,y,z分别代表x,y,z方向对应分量；
辐射场
Figure BDA0003054160980000047
的展开式为：
Figure BDA0003054160980000048
(2)式中，Jt＝2(Nt(Nt+2))，展开式截断数Nt＝[krmin]+10，[·]为取整符，k为波数，
Figure BDA0003054160980000049
c为光速，η表示自由空间中波阻抗，
Figure BDA00030541609800000410
与Qj分别代表第j个功率归一化下的球面波函数及其相应展开式系数；
求解获得辐射场
Figure BDA00030541609800000411
的展开式的系数的匹配值的过程为：
通过对式(1)与式(2)的系数进行匹配，求解辐射场
Figure BDA00030541609800000412
的展开式的系数的匹配值；
匹配后得到如下式子：
Figure BDA00030541609800000413
(3)式中,Qj代表第j个功率归一化下的球面波函数展开式系数，
Figure BDA00030541609800000414
为行向量，
Figure BDA00030541609800000415
为列向量；
Figure BDA00030541609800000416
表达为：
Figure BDA00030541609800000417
Figure BDA00030541609800000418
表达为：
Figure BDA00030541609800000419
根据辐射场
Figure BDA00030541609800000420
的展开式的系数的匹配值计算偶极子空间分布处电偶极子与磁偶极子的偶极矩的过程为：
利用
Figure BDA0003054160980000051
计算第n个偶极子空间分布处电偶极子与磁偶极子的偶极矩，表达如下：
电偶极子的偶极矩：
Figure BDA0003054160980000052
磁偶极子的偶极矩：
Figure BDA0003054160980000053
(4)、(5)式中，
Figure BDA0003054160980000054
分别表示x,y,z方向单位矢量，i表示虚数单位。
优选的，辐射场
Figure BDA0003054160980000055
采用对真实雷达天线进行辐射实测后获得或根据真实雷达天线的物理参数建立辐射仿真后获得。
优选的，S3的具体过程为：
S31、将天线辐射特性等效模型中第n个偶极子空间分布
Figure BDA0003054160980000056
处电偶极子及磁偶极子作为偶极子源，将偶极子源视为辐射源；
读取天线辐射特性等效模型的电偶极子的偶极矩
Figure BDA0003054160980000057
磁偶极子的偶极矩
Figure BDA0003054160980000058
作为目标平台在天线辐射特性等效模型的辐照下、计算散射场所需输入参数，
设置光线反射次数限定值Rmax，作为目标平台在天线辐射特性等效模型的辐照下，计算散射场所需的散射条件参数；
S32、采用高频方法计算目标平台在辐射源照射下的散射总场
Figure BDA00030541609800000520
S321、先计算首次电磁波传播路径：
设光线从第n个偶极子分布
Figure BDA0003054160980000059
出发，若光线击中目标平台的面元，则视该面元为照亮面元，则求解该照亮面元处入射场：
Figure BDA00030541609800000510
Figure BDA00030541609800000511
式中，
Figure BDA00030541609800000512
与
Figure BDA00030541609800000513
分别代表第n个偶极子分布处电偶极子与磁偶极子在该照亮面元处所产生的入射磁场；
Figure BDA00030541609800000514
为照亮面元的中心位置矢量，
Figure BDA00030541609800000515
ρ为
Figure BDA00030541609800000516
的长度，单位矢量
Figure BDA00030541609800000517
Figure BDA00030541609800000518
为格林函数；
对于第p个照亮面元，根据理想导体边界条件求得该照亮面元表面所产生的感应电流Ir，由感应电流Ir计算在观测区域处的散射场
Figure BDA00030541609800000519
S322、再计算第二次电磁波传播路径：
光线击中照亮面元后，该面元处将产生反射光线，对于反射光线形成的照亮面元，同样计算反射光线形成的照亮面元的入射场，根据理想导体边界条件求得反射光线形成的照亮面元表面所产生的感应电流Ir，由感应电流Ir计算在观测区域处的散射场
Figure BDA0003054160980000061
S323、重复步骤S322，直至光线反射次数达到限定值Rmax；
S324、将所求得所有的散射场
Figure BDA0003054160980000062
并行叠加，最终获得在第n个偶极子分布处的偶极子照射下，目标散射场结果
Figure BDA0003054160980000063
S325、循环步骤S321-S324，直至第Ls个偶极子空间分布处偶极子所产生的目标散射场结果
Figure BDA0003054160980000064
计算完成；
S326、将目标散射场结果
Figure BDA0003054160980000065
矢量叠加得到最终目标平台的散射总场
Figure BDA0003054160980000066
上述方法中，可以理解为一种物理光学-弹跳射线法(PO-SBR)，其主要思想是将高频电磁波做光学近似，任意电磁波都将被视为光线在自由空间中传播，对于被光线照射的区域，计算该区域媒质分界面上的表面电磁流，表面电磁流将向空间进行辐射形成散射场。
最后，将电磁散射总场可视化处理的过程为：将电磁散射总场导入商业数学软件Matlab进行图像绘制。
优选的，所述雷达天线为喇叭天线；
所述雷达天线的尺寸参数为：55mm×42.8mm×76.2mm；雷达天线的工作频率f为8GHz，雷达天线的波长为λ。
优选的，所述目标平台为平板结构或大型水面舰船；
目标平台的物理参数为：10λ×10λ，目标平台的位置参数为：与雷达天线相距30λ；
优选的，观测区域的位置参数为：雷达天线上方20λ处、10λ×10λ大小的正方形区域；λ为雷达天线的波长。
上述参数可以使得其处于一种近场状态。
本发明具有如下的优点和有益效果：
本发明具备非常高的仿真精度和不失真特性，同时其具备非常低的内存计算损耗和快速的计算效率。
本发明可以为雷达天线提供近场的仿真，为雷达天线提供设计的便利。尤其其高仿真特性和低损耗和快速计算的特性可以为雷达天线设计节约大量的设计时间成本。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明的总流程示意图。
图2为偶极子模型的示意图。
图3为步骤S3的流程示意图。
图4为喇叭天线、观测区域、目标平台的模型示意图。
图5为等效模型的示意图。
图6为天线照射下目标平台的电磁散射结果。
图7为等效模型照射下目标平台的电磁散射结果。
图8为采用商业软件Feko，以矩量法进行仿真所需总用时的软件截图。
图9为采用商业软件Feko，以矩量法进行仿真所需内存损耗的软件截图。
图10为本发明的进行仿真所需总用时的软件截图。
图11为本发明的进行仿真所需内存损耗的软件截图。
具体实施方式
在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。
在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。
在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。
应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。
在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
如图1-图3所示：
近场条件下电大尺寸目标的电磁散射仿真方法，包括以下步骤：
S1、根据与真实目标雷达场景相应的雷达天线参数构建由偶极子阵列组成的天线辐射特性等效模型；
S2、设置目标平台的物理参数和位置参数和观测区域的物理参数和位置参数，使得目标平台与雷达天线处于近场状态；
S3、将偶极子阵列中的偶极子源视为辐射源，然后在散射条件参数下、采用高频方法计算目标平台在辐射源照射下的电磁散射总场；
S4、将电磁散射总场可视化处理。
本发明的设计原理为：本发明通过等效偶极子来模拟天线辐射特性，然后再通过对各个偶极子对目标近场电磁散射建模仿真，从而实现整体等效偶极子模型下的目标近场电磁散射。该方法避免了“传统远场平面波模型”以及“近场方向图等效模型”两种处理方法的局限。
天线辐射特性等效模型基于偶极子阵列构建，该阵列中的偶极子均匀分布于包围天线的最小球面上。通过匹配天线(实测)及等效模型辐射场展开式中不同模式系数，进而严格求解得到等效模型具体参数。理论上，该方法对天线的等效具有“不失真”特性，其计算精度要高于“近场方向图等效模型”，该方法第一次被应用于目标电磁散射问题之中。
通过对一系列偶极子阵列构建，进一步建立不同位置下单个偶极子的目标电磁散射仿真，进而得到所有偶极子下的目标电磁散射总贡献，最终实现模拟出近场条件下该天线对目标的电磁散射特性。
进一步的技术方案有：
所述天线辐射特性等效模型根据球面波函数展开式模型匹配原理重构获得。
天线辐射特性等效模型的重构过程为：
S11、获取雷达天线参数，雷达天线参数包括：根据真实目标雷达场景的辐射场数据而导入的辐射场
Figure BDA0003054160980000091
包围雷达天线的最小球面半径rmin、雷达天线的工作频率f；
S12、采用最小球面半径rmin、工作频率f计算获得偶极子的空间分布，获得由偶极子阵列构成的天线辐射特性等效模型；
S13、使用球面波函数展开式模型对天线辐射特性等效模型的辐射场
Figure BDA0003054160980000092
进行展开处理，获得辐射场
Figure BDA0003054160980000093
的展开式；
S14、使用球面波函数展开式模型对导入的辐射场
Figure BDA0003054160980000094
进行展开处理，获得辐射场
Figure BDA0003054160980000095
的展开式；
S15、将辐射场
Figure BDA0003054160980000096
的展开式的系数和辐射场
Figure BDA0003054160980000097
的展开式的系数进行匹配，求解获得辐射场
Figure BDA0003054160980000098
的展开式的系数的匹配值；
S16、根据辐射场
Figure BDA0003054160980000099
的展开式的系数的匹配值计算偶极子空间分布处电偶极子与磁偶极子的偶极矩；将偶极子空间分布处电偶极子与磁偶极子的偶极矩赋予天线辐射特性等效模型获得重构的天线辐射特性等效模型。
在本发明中，为了实现天线辐射特性等效模型的构建，其先利用偶极子阵列构成的天线辐射特性等效模型，此时的等效模型还是一种理论模型，为了将该理论等效模型转为可用的等效模型，其先导入辐射场
Figure BDA00030541609800000910
而辐射场
Figure BDA00030541609800000911
是根据对雷达天线进行实测获得一组数据。然后我们将辐射场
Figure BDA00030541609800000912
和理论等效模型的辐射场
Figure BDA00030541609800000913
在球面波函数展开式模型下进行展开，这样就可以获得其理论等效模型的辐射场
Figure BDA00030541609800000914
的系数的匹配值；这样就可以获得可用于散射计算所需的等效模型，这个过程借助了实测的辐射场
Figure BDA00030541609800000915
和球面波函数展开式模型从而获得等效模型具体参数。
具体的：所述偶极子的空间分布通过球坐标表示为
Figure BDA00030541609800000916
其中，θn代表第n个偶极子空间分布处的俯仰角，
Figure BDA00030541609800000917
代表第n个偶极子空间分布处的方位角；设有圆环Cp分布于最小球面上，圆环Cp任意点均具有相同俯仰角θp，利用俯仰角θp对圆环Cp位置进行描述，有
Figure BDA00030541609800000918
偶极子阵列均匀分布于这些圆环上，位于圆环Cp处的偶极子空间分布方位角
Figure BDA00030541609800000919
由下式定义：
Figure BDA00030541609800000920
其中，Nmax＝[krmin]，[·]为取整符，k为波数，
Figure BDA0003054160980000101
c为光速；
辐射场
Figure BDA0003054160980000102
的展开式(1)式为：
Figure BDA0003054160980000103
(1)式中，Ls为天线辐射特性等效模型所包含的偶极子空间分布总数，
Figure BDA0003054160980000104
为第n个偶极子辐射场展开式系数，简写为：
Figure BDA0003054160980000105
Figure BDA0003054160980000106
为第n个偶极子辐射场展开式中第j个转移因子，简写为
Figure BDA0003054160980000107
的大小由偶极子位置矢量
Figure BDA00030541609800001021
决定，转移因子可由文献[1]中所述求解，变量上标中e,m分别代表电偶极子及磁偶极子，x,y,z分别代表x,y,z方向对应分量；
辐射场
Figure BDA0003054160980000108
的展开式为：
Figure BDA0003054160980000109
(2)式中，Jt＝2(Nt(Nt+2))，展开式截断数Nt＝[krmin]+10，[·]为取整符，k为波数，
Figure BDA00030541609800001010
c为光速，η表示自由空间中波阻抗，
Figure BDA00030541609800001011
与Qj分别代表第j个功率归一化下的球面波函数及其相应展开式系数；
求解获得辐射场
Figure BDA00030541609800001012
的展开式的系数的匹配值的过程为：
通过对式(1)与式(2)的系数进行匹配，求解辐射场
Figure BDA00030541609800001013
的展开式的系数的匹配值；
匹配后得到如下式子：
Figure BDA00030541609800001014
(3)式中,Qj代表第j个功率归一化下的球面波函数展开式系数，
Figure BDA00030541609800001015
为行向量，
Figure BDA00030541609800001016
为列向量；
Figure BDA00030541609800001017
表达为：
Figure BDA00030541609800001018
Figure BDA00030541609800001019
表达为：
Figure BDA00030541609800001020
根据辐射场
Figure BDA0003054160980000111
的展开式的系数的匹配值计算偶极子空间分布处电偶极子与磁偶极子的偶极矩的过程为：
利用
Figure BDA0003054160980000112
计算第n个偶极子空间分布处电偶极子与磁偶极子的偶极矩，表达如下：
电偶极子的偶极矩：
Figure BDA0003054160980000113
磁偶极子的偶极矩：
Figure BDA0003054160980000114
(4)、(5)式中，
Figure BDA0003054160980000115
分别表示x,y,z方向单位矢量，i表示虚数单位。
优选的，辐射场
Figure BDA0003054160980000116
采用对真实雷达天线进行辐射实测后获得或根据真实雷达天线的物理参数建立辐射仿真后获得。
优选的，S3的具体过程为：
S31、将天线辐射特性等效模型中第n个偶极子空间分布
Figure BDA0003054160980000117
处电偶极子及磁偶极子作为偶极子源，将偶极子源视为辐射源；
读取天线辐射特性等效模型的电偶极子的偶极矩
Figure BDA0003054160980000118
磁偶极子的偶极矩
Figure BDA0003054160980000119
作为目标平台在天线辐射特性等效模型的辐照下、计算散射场所需输入参数，
设置光线反射次数限定值Rmax，作为目标平台在天线辐射特性等效模型的辐照下，计算散射场所需的散射条件参数；
S32、采用高频方法计算目标平台在辐射源照射下的散射总场
Figure BDA00030541609800001110
S321、先计算首次电磁波传播路径：
设光线从第n个偶极子分布
Figure BDA00030541609800001111
出发，若光线击中目标平台的面元，则视该面元为照亮面元，则求解该照亮面元处入射场：
Figure BDA00030541609800001112
Figure BDA00030541609800001113
式中，
Figure BDA00030541609800001114
与
Figure BDA00030541609800001115
分别代表第n个偶极子分布处电偶极子与磁偶极子在该照亮面元处所产生的入射磁场；
Figure BDA00030541609800001116
为照亮面元的中心位置矢量，
Figure BDA00030541609800001117
ρ为
Figure BDA00030541609800001118
的长度，单位矢量
Figure BDA00030541609800001119
Figure BDA00030541609800001120
为格林函数；
对于第p个照亮面元，根据理想导体边界条件求得该照亮面元表面所产生的感应电流Ir，由感应电流Ir计算在观测区域处的散射场
Figure BDA00030541609800001121
S322、再计算第二次电磁波传播路径：
光线击中照亮面元后，该面元处将产生反射光线，对于反射光线形成的照亮面元，同样计算反射光线形成的照亮面元的入射场，根据理想导体边界条件求得反射光线形成的照亮面元表面所产生的感应电流Ir，由感应电流Ir计算在观测区域处的散射场
Figure BDA0003054160980000121
S323、重复步骤S322，直至光线反射次数达到限定值Rmax；
S324、将所求得所有的散射场
Figure BDA0003054160980000122
并行叠加，最终获得在第n个偶极子分布处的偶极子照射下，目标散射场结果
Figure BDA0003054160980000123
S325、循环步骤S321-S324，直至第Ls个偶极子空间分布处偶极子所产生的目标散射场结果
Figure BDA0003054160980000124
计算完成；
S326、将目标散射场结果
Figure BDA0003054160980000125
矢量叠加得到最终目标平台的散射总场
Figure BDA0003054160980000126
上述方法中，可以理解为一种物理光学-弹跳射线法(PO-SBR)，其主要思想是将高频电磁波做光学近似，任意电磁波都将被视为光线在自由空间中传播，对于被光线照射的区域，计算该区域媒质分界面上的表面电磁流，表面电磁流将向空间进行辐射形成散射场。
最后，将电磁散射总场可视化处理的过程为：将电磁散射总场导入商业数学软件Matlab进行图像绘制。
实施例2
如图4所示：
所述雷达天线为喇叭天线；
所述雷达天线的尺寸参数为：55mm×42.8mm×76.2mm；雷达天线的工作频率f为8GHz，雷达天线的波长为λ。
优选的，所述目标平台为平板结构或大型水面舰船；
目标平台的物理参数为：10λ×10λ，目标平台的位置参数为：与雷达天线相距30λ；
优选的，观测区域的位置参数为：雷达天线上方20λ处、10λλ×10λλ大小的正方形区域；λ为雷达天线的波长。
上述参数可以使得其处于一种近场状态。
将上述参数代入到上述实施例1的方法中后，构建有等效模型如图5所示。
然后在上述实施例1中，设置射线弹跳次数n＝3，
采用商业电磁仿真软件对天线照射下的目标散射场进行计算，同时利用上述方法求解天线等效模型照射下的目标散射场，比较不同方法目标散射场结果。
结果如图6、图7所示，其中图6为天线照射下目标电磁散射结果，图7为等效模型照射下目标电磁散射结果。
从附图6和附图7可以看出，本发明具备低失真特性，具有非常高的仿真精度。
为了比对本发明在低损耗内存和高效率计算时效方面具备突出的进步。本发明采用商业软件Feko的矩量法(MOM)对本方法进行对比性验证。
矩量法是对电场积分方程的直接求解，它将电场积分方程离散化为代数方程组，从而达到简化积分方程求解的目的。首先将需要求解的电场积分方程写成带有微分或积分符的符号方程，再将代求函数表示为某一组选用的基函数的线性组合并代入符号方程，随后用一组选定的权函数对所得的方程取矩量，可得到一个矩阵方程或代数方程组，利用计算机对方程组进行求解即得到最终结果。该方法可以达到所需要的计算精度，但同时存在内存消耗大、计算效率低等缺点。
本方法由物理光学-弹跳射线法(PO-SBR)构成，其主要思想是将高频电磁波做光学近似，任意电磁波都将被视为光线在自由空间中传播，对于被光线照射的区域，计算该区域媒质分界面上的表面电磁流，表面电磁流将向空间进行辐射形成散射场。
因此二者的仿真过程的处理流程逻辑存在实质性差别。
从其附图8和图9可以看出：矩量法总用时2.613h，内存占用21.122GB；
从其附图10和图11可以看出：本发明总用时1m9s，内存占用199.6MB。
上述仿真还仅是建立在平板结构的目标平台的基础上。若将目标平台更换为其他结构，则矩量法所需时间和内存的占用是非常庞大的。本发明将时间占用由小时级别降低到分钟级，将GB级的内存占用降低到MB级。因此本发明有意料之外之效果。
依据本发明该方法所设置的软件和计算系统和存储上述方法过程的介质也均属于本发明的延展保护范畴。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.近场条件下电大尺寸目标的电磁散射仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据与真实目标雷达场景相应的雷达天线参数构建由偶极子阵列组成的天线辐射特性等效模型；
S2、设置目标平台的物理参数和位置参数和观测区域的物理参数和位置参数，使得目标平台与雷达天线处于近场状态；
S3、将偶极子阵列中的偶极子源视为辐射源，然后在散射条件参数下、采用高频方法计算目标平台在辐射源照射下的电磁散射总场；
S4、将电磁散射总场可视化处理；
所述天线辐射特性等效模型根据球面波函数展开式模型匹配原理重构获得；
天线辐射特性等效模型的重构过程为：
S11、获取雷达天线参数，雷达天线参数包括：根据真实目标雷达场景的辐射场数据而导入的辐射场
Figure FDA0003879640360000011
包围雷达天线的最小球面半径rmin、雷达天线的工作频率f；
S12、采用最小球面半径rmin、工作频率f计算获得偶极子的空间分布，获得由偶极子阵列构成的天线辐射特性等效模型；
S13、使用球面波函数展开式模型对天线辐射特性等效模型的辐射场
Figure FDA0003879640360000012
进行展开处理，获得辐射场
Figure FDA0003879640360000013
的展开式；
S14、使用球面波函数展开式模型对导入的辐射场
Figure FDA0003879640360000014
进行展开处理，获得辐射场
Figure FDA0003879640360000015
的展开式；
S15、将辐射场
Figure FDA0003879640360000016
的展开式的系数和辐射场
Figure FDA0003879640360000017
的展开式的系数进行匹配，求解获得辐射场
Figure FDA0003879640360000018
的展开式的系数的匹配值；
S16、根据辐射场
Figure FDA0003879640360000019
的展开式的系数的匹配值计算偶极子空间分布处电偶极子与磁偶极子的偶极矩；将偶极子空间分布处电偶极子与磁偶极子的偶极矩赋予天线辐射特性等效模型获得重构的天线辐射特性等效模型。
2.根据权利要求1所述的近场条件下电大尺寸目标的电磁散射仿真方法，其特征在于，
所述偶极子的空间分布通过球坐标表示为
Figure FDA00038796403600000110
其中，θn代表第n个偶极子空间分布处的俯仰角，
Figure FDA00038796403600000111
代表第n个偶极子空间分布处的方位角；设有圆环Cp分布于最小球面上，圆环Cp任意点均具有相同俯仰角θp，利用俯仰角θp对圆环Cp位置进行描述，有
Figure FDA00038796403600000112
偶极子阵列均匀分布于这些圆环上，位于圆环Cp处的偶极子空间分布方位角
Figure FDA0003879640360000021
由下式定义：
Figure FDA0003879640360000022
其中，Nmax＝[krmin]，[·]为取整符，k为波数，
Figure FDA0003879640360000023
c为光速；
辐射场
Figure FDA0003879640360000024
的展开式为(1)式：
Figure FDA0003879640360000025
(1)式中，Ls为天线辐射特性等效模型所包含的偶极子空间分布总数，
Figure FDA0003879640360000026
为第n个偶极子辐射场展开式系数，简写为：
Figure FDA0003879640360000027
Figure FDA0003879640360000028
为第n个偶极子辐射场展开式中第j个转移因子，简写为
Figure FDA0003879640360000029
的大小由偶极子位置矢量
Figure FDA00038796403600000210
决定，变量上标中e,m分别代表电偶极子及磁偶极子，x,y,z分别代表x,y,z方向对应分量；
辐射场
Figure FDA00038796403600000211
的展开式为：
Figure FDA00038796403600000212
(2)式中，Jt＝2(Nt(Nt+2))，展开式截断数Nt＝[krmin]+10，[·]为取整符，k为波数，
Figure FDA00038796403600000213
c为光速，η表示自由空间中波阻抗，
Figure FDA00038796403600000214
与Qj分别代表第j个功率归一化下的球面波函数及其相应展开式系数；
求解获得辐射场
Figure FDA00038796403600000215
的展开式的系数的匹配值的过程为：
通过对式(1)与式(2)的系数进行匹配，求解辐射场
Figure FDA00038796403600000216
的展开式的系数的匹配值；
匹配后得到如下式子：
Figure FDA00038796403600000217
(3)式中,Qj代表第j个功率归一化下的球面波函数展开式系数，
Figure FDA00038796403600000218
为行向量，
Figure FDA00038796403600000219
为列向量；
Figure FDA00038796403600000220
表达为：
Figure FDA00038796403600000221
Figure FDA0003879640360000031
表达为：
Figure FDA0003879640360000032
根据辐射场
Figure FDA0003879640360000033
的展开式的系数的匹配值计算偶极子空间分布处电偶极子与磁偶极子的偶极矩的过程为：
利用
Figure FDA0003879640360000034
计算第n个偶极子空间分布处电偶极子与磁偶极子的偶极矩，表达如下：
电偶极子的偶极矩：
Figure FDA0003879640360000035
磁偶极子的偶极矩：
Figure FDA0003879640360000036
(4)、(5)式中，
Figure FDA0003879640360000037
分别表示x,y,z方向单位矢量，i表示虚数单位。
3.根据权利要求2所述的近场条件下电大尺寸目标的电磁散射仿真方法，其特征在于，
辐射场
Figure FDA0003879640360000038
采用对真实雷达天线进行辐射实测后获得或根据真实雷达天线的物理参数建立辐射仿真后获得。
4.根据权利要求3所述的近场条件下电大尺寸目标的电磁散射仿真方法，其特征在于，
S3的具体过程为：
S31、将天线辐射特性等效模型中第n个偶极子空间分布
Figure FDA0003879640360000039
处电偶极子及磁偶极子作为偶极子源，将偶极子源视为辐射源；
读取天线辐射特性等效模型的电偶极子的偶极矩
Figure FDA00038796403600000310
磁偶极子的偶极矩
Figure FDA00038796403600000311
作为目标平台在天线辐射特性等效模型的辐照下、计算散射场所需输入参数，
设置光线反射次数限定值Rmax，作为目标平台在天线辐射特性等效模型的辐照下，计算散射场所需的散射条件参数；
S32、采用高频方法计算目标平台在辐射源照射下的散射总场
Figure FDA00038796403600000312
S321、先计算首次电磁波传播路径：
设光线从第n个偶极子分布
Figure FDA00038796403600000313
出发，若光线击中目标平台的面元，则视该面元为照亮面元，则求解该照亮面元处入射场：
Figure FDA00038796403600000314
Figure FDA00038796403600000315
式中，
Figure FDA00038796403600000316
与
Figure FDA00038796403600000317
分别代表第n个偶极子分布处电偶极子与磁偶极子在该照亮面元处所产生的入射磁场；
Figure FDA00038796403600000318
为照亮面元的中心位置矢量，
Figure FDA00038796403600000319
ρ为
Figure FDA00038796403600000320
的长度，单位矢量
Figure FDA00038796403600000321
Figure FDA00038796403600000322
为格林函数；
对于第p个照亮面元，根据理想导体边界条件求得该照亮面元表面所产生的感应电流Ir，由感应电流Ir计算在观测区域处的散射场
Figure FDA0003879640360000041
S322、再计算第二次电磁波传播路径：
光线击中照亮面元后，该面元处将产生反射光线，对于反射光线形成的照亮面元，同样计算反射光线形成的照亮面元的入射场，根据理想导体边界条件求得反射光线形成的照亮面元表面所产生的感应电流Ir，由感应电流Ir计算在观测区域处的散射场
Figure FDA0003879640360000042
S323、重复步骤S322，直至光线反射次数达到限定值Rmax；
S324、将所求得所有的散射场
Figure FDA0003879640360000043
并行叠加，最终获得在第n个偶极子分布处的偶极子照射下，目标散射场结果
Figure FDA0003879640360000044
S325、循环步骤S321-S324，直至第Ls个偶极子空间分布处偶极子所产生的目标散射场结果
Figure FDA0003879640360000045
计算完成；
S326、将目标散射场结果
Figure FDA0003879640360000046
矢量叠加得到最终目标平台的散射总场
Figure FDA0003879640360000047
5.根据权利要求1或2所述的近场条件下电大尺寸目标的电磁散射仿真方法，其特征在于，
将电磁散射总场可视化处理的过程为：将电磁散射总场导入商业数学软件Matlab进行图像绘制。
6.根据权利要求1或2所述的近场条件下电大尺寸目标的电磁散射仿真方法，其特征在于，
所述雷达天线为喇叭天线；
所述雷达天线的尺寸参数为：55mm×42.8mm×76.2mm；雷达天线的工作频率f为8GHz，雷达天线的波长为λ。
7.根据权利要求6所述的近场条件下电大尺寸目标的电磁散射仿真方法，其特征在于，
所述目标平台为平板结构或大型水面舰船；
目标平台的物理参数为：10λ×10λ，目标平台的位置参数为：与雷达天线相距30λ。
8.根据权利要求6所述的近场条件下电大尺寸目标的电磁散射仿真方法，其特征在于，
观测区域的位置参数为：雷达天线上方20λ处、10λ×10λ大小的正方形区域；λ为雷达天线的波长。
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