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基于高阶矩量法对复杂电大目标特性精确仿真

2018/10/17    来源:索辰信息    作者:佚名      
关键字:高阶矩量法  仿真  复杂目标特性  
随着雷达隐身、反隐身技术的不断发展,目标特性的研究也不断面临新的挑战,同时电大以及超电大复杂目标特性的精确求解成为对仿真新技术需求最为迫切的应用领域之一。

1 引言

    现代战争中,大量先进武器系统的发展应用以及高技术战争条件下的复杂战场环境,对雷达目标的识别提出了越来越高的要求。在很多情况下,雷达目标识别已不仅仅满足于获得目标的位置与运动参数,还希望取得更多的目标特性信号,推导出目标的形状、体积、质量等,达到精确识别目标的目的。作为计算电磁学的重要研究领域之一,雷达目标的电磁散射特性研究是利用电磁波与目标相互作用所产生的各种信息作为雷达准确获得目标特征参数,推导其形状、体积、姿态的依据,进而为对目标进行分类、辨别与识别奠定了基础。因此,复杂目标特性的研究对我国国防现代化建设具有重要意义。

    例如目标电磁散射特性中最重要的幅度特性——雷达散射截面积(RCS)的测试难度很大,满足需求的测量环境少,且测量误差难以评估,因此,采用数值仿真的方法一直是目标特性研究的重要手段。随着雷达隐身、反隐身技术的不断发展,目标特性的研究也不断面临新的挑战,同时电大以及超电大复杂目标特性的精确求解成为对仿真新技术需求最为迫切的应用领域之一。

2 研究热点

    如前述,仿真技术是目标特性研究的主要手段,目前国内外在仿真的计算方法、建模技术、以及工程实际应用方面出现了若干研究热点。例如在电磁仿真精度方面,研究热点集中在能够定量地反映目标的真实散射特性;在电磁仿真速度方面,如何在满足仿真精度的前提下,提高仿真速度已成为当前的研究热点;在仿真目标范围方面,研究热点集中在能够对细微、特殊结构进行仿真,并可以仿真不同的介质。

    2.1 特殊结构的目标特性研究

    在实际应用中,许多雷达目标都具有诸如腔、槽类的典型特殊结构,它们通常和电大尺寸的整体目标结合在一起,形成极为复杂的构造。例如飞机的进气道、螺旋桨、雷达舱以及巡航导弹的进气道等。此类腔、槽结构往往对雷达发出的电磁波具有很强的散射作用,在某些角度对目标的RCS有极大的贡献,属于目标电磁散射计算中的一类关键问题。

    2.2 复杂环境下的目标电磁散射计算

    现代战争中,战场电磁环境复杂多变,目标与环境的相互作用,地海面背景与目标的复合散射和辐射,使得目标对入射电磁波的调制效应同独立目标存在时的调制效应大大不同,对雷达精确识别目标造成困难。因此,研究复杂环境下目标的电磁散射特性具有重要的理论价值与军事意义。

3 研究方法

    相对于传统低阶矩量法而言,索辰采用的高阶矩量法具有较大的优势,一方面,高阶面片可以在保证获得更高拟合精度的同时采用更大的面元离散目标物体表面,从而减少面元的数目,进而减少未知量的数目;另一方面,高阶基函数可以用更少的未知量来拟合目标表面的真实电流分布,并获得更高的求解精度和效率。

    对于细线结构,高阶基函数用截锥体作为基本网格,如图1所示。

截锥体示意图

图1 截锥体示意图

    s是沿截锥体参考母线方向的局部坐标,p是从x轴侧起关于截锥体轴线旋转角度的局部坐标,r(p,s)是截锥体表面位置矢量,ra(s)和a(s)分别是截锥体轴线位置矢量和半径,ip(p)是垂直于截锥体轴线的局部坐标系中的径向单位矢量,s1和s2是沿s方向截锥体起点和终点的局部坐标。

    截锥体上的电流表示为

截锥体上的电流(1)

    式中,-1≤s≤1,ai(i=2,L,Ns)是未知系数,N(s)表示导线端点处的基函数,Si(s)表示导线段上的基函数。

    对于面结构,高阶基函数用双线性面片作为基本网格,如图2所示。p和s表示双线性面片的局部坐标,r11,r12,r21和r22是其四个顶点的位置矢量,p1和p2是沿p方向的起点和终点坐标,s1和s2是沿s方向的起点和终点坐标。

双线性面片示意图

图2 双线性面片示意图

    双线性面片的表面电流密度可分解为p和s分量,以s分量为例

公式(2)

    式中,-1≤p≤1,-1≤s≤1,ci1和ci2定义为

公式(3)

公式(4)

    基函数Ei(p,s)和Pij(p,s)为:

公式(5)

公式(6)

    式中,N(s)和Sj(s)的表达式与截锥体相同,ap和as的表达式为

公式(7)

公式(8)

    式中,r(p,s)表示双线性面片的参数方程。

    以波导缝隙天线阵为例说明如图3所示,此算法在仿真中的作用:计算工程中节省约25倍的存储空间。

波导缝隙阵列天线模型图
波导缝隙阵列天线模型图

图3 波导缝隙阵列天线模型图

4 仿真算例

    4.1 算法验证

    通过实验测量的方法进行算法验证。

算法验证
算法验证

图4 算法验证

    以复杂复合结构L波段天线为例,通过仿真结果与测试结果对比分析可得,两种结果很好地耦合,证明索辰采用的高阶矩量法的精度满足要求。

    4.2 腔体模型算例

    4.2.1 计算模型

    计算模型如下图,计算中将目标当做理想电导体(pec)。

腔体计算模型

图5 腔体计算模型

    4.2.2 计算方法及计算内容

    采用高阶矩量法精确算法计算目标单站RCS。

    ●计算频率共2个频点,分别为:4.9GHz,17.5GHz;

    ●极化方式为水平极化和垂直极化;

    ●计算姿态为俯仰角为0°,滚转角为0°,方位角为0°到180°(频点2角度为0°到30°),计算间隔1°。

    4.2.3 计算过程实际资源消耗

表1 计算频点1

计算频点1

表2 计算频点2

计算频点2

    4.2.4 计算结果

    水平极化结果如图例hh,垂直极化结果如图例vv。

频点1

图6 频点1

    计算姿态为俯仰角为0°,方位角为0°到180°,计算间隔1°。

频点2

图7 频点2

    计算姿态为俯仰角为0°,方位角为0°到30°,计算间隔1°。

    通过以上分析,传统矩量法采用的RWG基函数(网格边长必须在0.1波长左右,每平方波长需要大约300个基函数),而索辰现在采用的高阶基函数(网格边长可以扩大到1个波长左右,最大2波长,每平方波长需要大约20个基函数),对比发现:采用高阶基函数比传统算法的基函数波长降低了10陪,每平方波长基函数降低了15倍。达到的效果:相较于传统矩量法可求解的问题,高阶矩量法能用更少的计算机资源去求解。

责任编辑:程玥
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