CN115661285B - 一种规则曲面所受天线时谐近场感应特征图像生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种规则曲面所受天线时谐近场感应特征图像生成方法,包括以下步骤：S1.给定天线和规则曲面的相关信息；S2.确定规则曲面投影的矩形区域，获取平面网格的中心点二维坐标以及该中心点在规则曲面上的映射点坐标；S3.确定矩形区域上每个矩形网格对应的规则曲面所受天线孔径激励导致的表面感应场列表，并得到特征图像数据；S4.基于步骤S3得到的特征图像数据，生成规则曲面所受天线时谐近场感应特征图像。本发明能够生成则曲面所受天线时谐近场感应特征图像，方便于对天线孔径近场激励后在规则曲面上的表面感应场分布情况进行表征。

Description

一种规则曲面所受天线时谐近场感应特征图像生成方法

技术领域

本发明涉及电磁波领域，特别是涉及一种规则曲面所受天线时谐近场感应特征图像生成方法。

背景技术

天线安装于几何平台表面引起的电磁兼容性的变化情况是复杂装备平台研制人员关心的重要问题之一，这也是电磁兼容领域中平台天线布局分析领域中的重要课题，天线与几何平台的电磁耦合不仅包括远场耦合还包括近场耦合，曲面表面对天线远场分布的扰动不仅要考虑天线的远场方向图的远场耦合效应，更要考虑近场耦合效应，由物理光学等高频电磁算法可知，曲面表面对天线孔径的近场感应场特别是表面磁场感应场的二次辐射效应扰动了天线远场。

因此如何利用数字化和图像化手段可视化表征天线孔径近场激励后在规则曲面上的表面近场感应场分布重要问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种规则曲面所受天线时谐近场感应特征图像生成方法，能够生成规则曲面所受天线时谐近场感应特征图像，方便于对天线孔径近场激励后在规则曲面上的表面感应场分布情况进行表征。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种规则曲面所受天线时谐近场感应特征图像生成方法，包括以下步骤：

S1.给定天线和规则曲面的相关信息；

S2.确定规则曲面投影的矩形区域，获取平面网格的中心点二维坐标以及该中心点在规则曲面上的映射点坐标；

S3.确定矩形区域上每个矩形网格对应的规则曲面所受天线孔径激励导致的表面感应场列表，并得到特征图像数据；

S4.基于步骤S3得到的特征图像数据，生成规则曲面所受天线时谐近场感应特征图像。

本发明的有益效果是：本发明给出了天线近场的表征形式包括天线孔径的几何表面网格中的点列表和点连接列表，面元中心点的电磁场分布；同时也给出了曲面上任意点天线近场辐射下的感应场的计算公式和相应流程，在此基础上得到了曲面在天线近场辐射下的感应场的数字图像，能够将电磁波这类自然中现实存在的物理量场用人比较容易感知的数据图像的形式进行表征，以直观的方式展现天线孔径近场激励后在规则曲面上的表面感应场分布情况。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为天线与规则曲面的相关信息示意图；

图3为规则曲面的投影示意图；

图4为发射天线孔径表面的电场和磁场示意图；

图5为实施例中得到的I_z示意图；

图6为实施例中得到的I_u示意图；

图7为实施例中得到的I_v示意图；

图8为实施例中得到的I_tx示意图；

图9为实施例中得到的I_ty示意图；

图10为实施例中得到的I_tz示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，一种规则曲面所受天线时谐近场感应特征图像生成方法，包括以下步骤：

S1.给定天线和规则曲面的相关信息如图2所示；

(1)给定规则曲面的表征公式为z＝f(x,y)，参数范围为：x₁≤x≤x₂和y₁≤y≤y₂；其中，x₁、x₂、y₁、y₂为预设的参数边界；

(2)给定网格剖分密度为D，则在X轴和Y轴上的网格剖分长度Δx＝Δy＝λ/D，其中λ＝c₀/f₀为工作频率对应的波长,c₀为自由空间波速；

(3)给定天线在工作频率为f₀Hz时的天线孔径的几何表面S′上的时谐近场电磁场分布。

天线孔径的几何表面S′也叫孔径面或天线口面，是指天线工作时的辐射表面，辐射能量经由孔径面辐射到远场；包括孔径几何表面S′进行离散化后的点列表{P_ip},ip∈[1,2,…,Np],和三角形单元点连接列表{C_js},js∈[1,2,…,Ns]，Np为点列表{P_ip}的总个数，Ns为点连接列表{C_js}的总个数,即总单元数，第ip个点的坐标用(P_ip.x,P_ip.y,P_ip.z)表示，第js个三角形单元C_js的三个顶点在点列表{P_ip}的序号用表示，则这个三角形单元的三个顶点坐标表示为：/>其中/>则有这个三角形单元的中心点坐标为：/>得到这个三角形单元的外法向单位矢量为：/>这个三角形单元的面积为ΔS_js；天线孔径的每个三角形单元中心点上的电磁场表示为列表{F_js},js∈[1,2,…,Ns]，F_js.E_x表示电场x分量,F_js.E_y表示电场y分量,F_js.E_z表示电场z分量,F_js.H_x表示磁场x分量,F_js.H_y表示磁场y分量,F_js.H_z表示磁场z分量。

S2.确定规则曲面投影的矩形区域，获取平面网格的中心点二维坐标以及该中心点在规则曲面上的映射点坐标；

采用规则曲面向XOY平面进行投影，得到投影的矩形区域R_XOY，再对平面矩形区域进行二维矩形网格剖分的方式得到规则曲面的投影矩形网格列表{G_ij}以及中心点坐标列表{P_ij}；其中，i表示网格G_ij的横边序号，j表示网格G_ij的纵边序号，如图3所示。

二维网格的横边和纵边的剖分尺度分别为Δx和Δy，剖分尺度满足Δx，Δy≤λ₀/D₀；D₀为剖分密度；P_ij表示G_ij网格的中心点二维坐标；R_ij(x_ij,y_ij,z_ij)为平面网格点P_ij(x_ij,y_ij,0)在规则曲面上的对应点坐标；即R_ij(x_ij,y_ij,z_ij)在XOY上的投影为P_ij(x_ij,y_ij,0)，过P_ij(x_ij,y_ij,0)且平行于Z轴的直线与规则曲面相交于R_ij(x_ij,y_ij,z_ij)；其中0≤i≤nX-1,0≤j≤nY-1：

x_ij＝(i+0.5)Δx

y_ij＝(j+0.5)Δy

z_ij＝f((i+0.5)Δx,(j+0.5)Δy)。

S3.确定矩形区域上每个矩形网格对应的规则曲面所受天线孔径激励导致的表面感应场列表，并得到特征图像数据；

所述步骤S3包括：

S300.初始化特征图像数据IMG，其维度为6×nX×nY；

S301.遍历网格列表{G_ij}，得到每个网格G_ij的中心点坐标为并计算该位置上相互正交的单位切向矢量/>和/>和单位法向矢量/>初始化R_ij上的磁场强度为H_ij＝0；

其中，

S302.遍历孔径三角形单元点连接列表{C_js}，得到第js个三角形单元C_js，得到该三角形单元的中心点坐标和面积微元/>得到中心点坐标/>上的电磁场分量F_js，则有该三角形单元的电流矩/>和磁流矩/>

S303.计算从到R_ij的dirac格林函数值G_f、一阶偏导数G_P和二阶偏导数G_PP；

其中，||为矢量求长度函数，/>为自由空间波数；

S304.计算第js个三角形单元对R_ij位置上的辐射磁场的贡献H_js，计算H_ij＝H_ij+H_js：

S305.循环S302～S304直到孔径三角形完成遍历为止，得到网格G_ij的中心点坐标为R_ij上的磁场H_ij；

S306.网格G_ij的中心点坐标为R_ij上的感应电流

S308.计算表面感应电流在单位切向矢量/>和/>上的分量/>和/>

S309.计算表面感应电流在曲面表面R_ij位置上的切平面分量/>

S3010.收集网格中心点位置上的z_ij、和/>的xyz分量并赋值IMG IMG[0][i][j]＝z_ij，/>

S3011.重复步骤S301～S3010得到特征图像数据IMG。

S4.基于步骤S3得到的特征图像数据，生成规则曲面所受天线时谐近场感应特征图像。

所述步骤S4包括：

S401.初始化JJ＝0；

S402.设置数字图像的分辨率为nX×nY，每个像素代表的实际物理尺寸分别是Δx和Δy；设置数字图像的颜色深度和显示的通道数1；

S403.将IMG[JJ]数据按照相同的行列序号赋值给数字图像；

S404.JJ+＝1，直到JJ＝＝6为止，并将数字图像分别保存至不同BMP文件；

S405.将这六个BMP文件分别改名为I_z.bmp,I_u.bmp,I_v.bmp,I_tx.bmp,I_ty.bmp和I_tz.bmp。

在本申请的实施例中，按照本申请的方法，对高斯曲面所受矩形TE10模式孔径激励表面感应电流特征图像表征，参数为：

f₀＝4.2GHz，高斯曲面的表征公式为A＝1，σ＝5，参数范围为：-7.5≤x≤7.5和-7.5≤y≤7.5；将矩形TE10模式孔径安装于R_t:(-5.27,1.17,0.73)位置上，局部坐标系描述为：/>

得到的I_z、I_u、I_v、I_tx、I_ty、I_tz图像如图5～10所示，从图6、图7、图9和图10中可以清楚且直观地观察到目标曲面在平面口径时谐辐射场照射下的散射中心即为图像中清晰显示的波动中心位置点，结合图6的高度特征图像可以看到，波动中心位置点即与图6中所示的曲面高度的峰值点基本重合，由此可见，曲面的峰值点是构成目标感受平面口径感应场二次辐射的一类非常重要的因素。图8可以看到没有感应场的存在，说明目标感受平面口径感应场具有矢量特性，不是在各个方向都存在，而是与平面口径上电流的极化方向有关，例如在本例的X方向上就不存在感应场。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应该看作是对其他实施例的排除，而可用于其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种规则曲面所受天线时谐近场感应特征图像生成方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1.给定天线和规则曲面的相关信息；

S2.确定规则曲面投影的矩形区域，获取平面网格的中心点二维坐标以及该中心点在规则曲面上的映射点坐标；

S3.确定矩形区域上每个矩形网格对应的规则曲面所受天线孔径激励导致的表面感应场列表，并得到特征图像数据；

所述步骤S3包括：

S300.初始化特征图像数据IMG，其维度为6×nX×nY；

S301.遍历网格列表{G_ij}，得到每个网格G_ij的中心点坐标为并计算该位置上相互正交的单位切向矢量/>和/>和单位法向矢量/>初始化R_ij上的磁场强度为H_ij＝0；

其中，

S302.遍历孔径三角形单元点连接列表{C_js}，得到第js个三角形单元C_js，得到该三角形单元的中心点坐标和面积微元/>得到中心点坐标/>上的电磁场分量F_js，则有该三角形单元的电流矩/>和磁流矩/>

S303.计算从到R_ij的dirac格林函数值G_f、一阶偏导数G_P和二阶偏导数G_PP；

其中，||为矢量求长度函数，/> 为自由空间波数；

S304.计算第js个三角形单元对R_ij位置上的辐射磁场的贡献H_js，计算H_ij＝H_ij+H_js：

S305.循环S302～S304直到孔径三角形完成遍历为止，得到网格G_ij的中心点坐标为R_ij上的磁场H_ij；

S306.网格G_ij的中心点坐标为R_ij上的感应电流

S308.计算表面感应电流在单位切向矢量/>和/>上的分量/>和/>

S309.计算表面感应电流在曲面表面R_ij位置上的切平面分量/>

S3010.收集网格中心点位置上的z_ij、和/>的xyz分量并赋值IMG

IMG[0][i][j]＝z_ij，

S3011.重复步骤S301～S3010得到特征图像数据IMG；

S4.基于步骤S3得到的特征图像数据，生成规则曲面所受天线时谐近场感应特征图像。

2.根据权利要求1所述的一种规则曲面所受天线时谐近场感应特征图像生成方法，其特征在于：步骤S1中设天线发射的电磁波照射到规则曲面上，形成近场分布电磁波的电流感应，步骤S1包括：

(1)给定规则曲面的表征公式为z＝f(x,y)，参数范围为：x₁≤x≤x₂和y₁≤y≤y₂；其中，x₁、x₂、y₁、y₂为预设的参数边界；

(2)给定网格剖分密度为D，则在X轴和Y轴上的网格剖分长度Δx＝Δy＝λ/D，其中λ＝c₀/f₀为工作频率对应的波长,c₀为自由空间波速；

(3)给定天线在工作频率为f₀Hz时的天线孔径的几何表面S′上的时谐近场电磁场分布：天线孔径的几何表面S′也叫孔径面或天线口面，是指天线工作时的辐射表面，辐射能量经由孔径面辐射到远场；包括孔径几何表面S′进行离散化后的点列表{P_ip},ip∈[1,2,…,Np],和三角形单元点连接列表{C_js},js∈[1,2,…,Ns]，Np为点列表{P_ip}的总个数，Ns为点连接列表{C_js}的总个数,即总单元数，第ip个点的坐标用(P_ip.x,P_ip.y,P_ip.z)表示，第js个三角形单元C_js的三个顶点在点列表{P_ip}的序号用表示，则这个三角形单元的三个顶点坐标表示为：/>其中/>则有这个三角形单元的中心点坐标为：/>得到这个三角形单元的外法向单位矢量为：/>这个三角形单元的面积为ΔS_js；天线孔径的每个三角形单元中心点上的电磁场表示为列表{F_js},js∈[1,2,…,Ns]，F_js.E_x表示电场x分量,F_js.E_y表示电场y分量,F_js.E_z表示电场z分量,F_js.H_x表示磁场x分量,F_js.H_y表示磁场y分量,F_js.H_z表示磁场z分量。

3.根据权利要求1所述的一种规则曲面所受天线时谐近场感应特征图像生成方法，其特征在于：所述步骤S2包括：

采用规则曲面向XOY平面进行投影，得到投影的矩形区域R_XOY，再对平面矩形区域进行二维矩形网格剖分的方式得到规则曲面的投影矩形网格列表{G_ij}以及中心点坐标列表{P_ij}；其中，i表示网格G_ij的横边序号，j表示网格G_ij的纵边序号

二维网格的横边和纵边的剖分尺度分别为Δx和Δy，剖分尺度满足Δx，Δy≤λ₀/D₀；D₀为剖分密度；P_ij表示G_ij网格的中心点二维坐标；R_ij(x_ij,y_ij,z_ij)为平面网格点P_ij(x_ij,y_ij,0)在规则曲面上的对应点坐标；即R_ij(x_ij,y_ij,z_ij)在XOY上的投影为P_ij(x_ij,y_ij,0)，过P_ij(x_ij,y_ij,0)且平行于Z轴的直线与规则曲面相交于R_ij(x_ij,y_ij,z_ij)；其中0≤i≤nX-1,0≤j≤nY-1：

x_ij＝(i+0.5)Δx

y_ij＝(j+0.5)Δy

z_ij＝f((i+0.5)Δx,(j+0.5)Δy)。

4.根据权利要求1所述的一种规则曲面所受天线时谐近场感应特征图像生成方法，其特征在于：所述步骤S4包括：

S401.初始化JJ＝0；

S402.设置数字图像的分辨率为nX×nY，每个像素代表的实际物理尺寸分别是Δx和Δy；设置数字图像的颜色深度和显示的通道数1；

S403.将IMG[JJ]数据按照相同的行列序号赋值给数字图像；

S404.JJ+＝1，直到JJ＝＝6为止，并将数字图像分别保存至不同BMP文件；

S405.将这六个BMP文件分别改名为I_z.bmp,I_u.bmp,I_v.bmp,I_tx.bmp,I_ty.bmp和I_tz.bmp。