法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2017-11-14
授权
授权
2015-01-07
实质审查的生效 IPC(主分类):G06F19/00 申请日:20140818
实质审查的生效
2014-12-10
公开
公开
技术领域
本发明属于快速获取目标电磁散射特性的多层复波束方法,特别是一种基于 复波束方法的雷达散射截面快速计算方法。
背景技术
目标的雷达回波特性在军事中具有很重要的意义,提出一种精确而有效的 电磁分析模型显得极为重要。解决目标的雷达回波的一种有效的方法是在目标表 面建立积分方程,将其转换为方程组求解。以金属目标为例,将目标表面的感应 电流展开为RWG基函数的组合(Rao M,Wilton D and Glisson A.Electromagnetic scattering by surfaces of arbitrary shape.IEEE Transaction on Antennas and Propagation,1982,30(3):409–418.),利用伽辽金方法,该积分方程可以最终转换 为形如ZI=V的矩阵方程,其中,Z为阻抗矩阵,大小为N×N,I为待求解的 未知系数,大小为N×1,V为与入射波相关的激励矩阵,大小为N×1。针对该 方程,如果用直接求解器,其计算复杂度为O(N3),即使是中等电尺寸大小的物 体,计算时间也相当长。如果使用迭代求解器,计算复杂度可以降低到O(N2)。
最近,Koray Tap等人提出了利用复波束方法(Koray Tap,Prabhakar H.Pathak, Robert J.Burkholder.Complex source beam-moment method procedure for accelerating numerical integral equation solutions of radiation and scattering problems.IEEE Transaction on Antennas and Propagation,2014,62(4):2052–2062.) 对矩阵元素进行压缩,该方法将每个基函数及其散在等效球面上用复点源进行展 开,互为远场的基函数就可以利用这些复点源之间的作用进行表示。但是该方法 仅仅考虑了单层的情况,对于多层则没有考虑,因此计算效率不高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种快速获取目标电磁散射特性的多层复波束方法。
实现本发明目的的技术解决方案为:一种快速获取目标电磁散射特性的多层 复波束方法,步骤如下:
第一步,设置入射波频率freq,建立目标的几何模型,并对模型进行三角形 网格划分,利用八叉树分组方法对三角形的边进行分组,得到每组内的边数和边 的编号;包含边的组为非空组,不包含边的组为空组;
第二步,在目标表面根据边界条件建立电场积分方程;
第三步,在剖分得到的三角形网格的边上构造RWG基函数用于展开在 入射电磁波照射下目标表面的感应电流,利用伽辽金测试方法得到矩阵方程组 ZI=V;
第四步,在每个非空组外建立等效面和测试面,将每个基函数及其散度 用等效面上的复点源进行展开;
第五步,将矩阵Z中的远场作用组形成的矩阵用等效面上复点源之间的作用 表示,设定角度阈值θt,当组中心与等效面上等效点形成的矢量与组中心连线方 向矢量之间的夹角小于θt时,保留该等效点,当组中心与等效面上等效点形成的 矢量与组中心方向矢量之间的夹角大于θt时,舍去该等效点,得到矩阵方程组 Z'I=V;
第六步,利用迭代方法求解矩阵方程组Z'I=V,得到感应电流展开系数, 计算雷达散射截面RCS。
与现有技术相比,其显著优点:由于复点源的方向图具有方向性,因此可以 舍去一部分复点源,从而节省内存和计算时间,然后将本发明方法推广到多层。 和现有的矩量法相比,本发明方法具有较低的计算复杂度,内存和计算时间消耗 大大降低。
附图说明
图1是本发明目标三角形网格剖分示意图。
图2是本发明RWG基函数示意图。
图3是本发明等效面上点源位置分布示意图。
图4是本发明等效面上点源舍取示意图。
图5是本发明长方体三角形剖分示意图。
图6是本发明长方体模型RCS计算结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
第一步,设置入射波频率freq,建立目标的几何模型,并对模型进行三角形 网格划分,三角形网格的平均边长为0.1λ,λ为电磁波波长,如图1所示;利用 八叉树分组方法对三角形的边进行分组,最细层组的尺寸为0.2λ;得到每组内 的边数和边的编号;包含边的组为非空组,不包含边的组为空组;
第二步,在目标表面根据边界条件建立电场积分方程:
其中,为虚数单位,k为波数,η为自由空间波阻抗为目标表面处 的感应电流,为自由空间和之间的格林函数。 为入射平面波电场,表示梯度算子,表示散度算子,|tan表示取切 向分量。
第三步,在剖分得到的三角形网格的边上构造RWG基函数用于展开在 入射电磁波照射下目标表面的感应电流:
其中,l表示三角形的边长,A+和A-表示该条边所在的两个三角形T+、T-的面 积。分别为从边所对应的T+、T-顶点出发到点的矢量,如图2 所示。
将感应电流表示为RWG基函数的组合,并利用伽辽金测试方法对(1) 式进行测试,得到矩阵方程组ZI=V,其中Z为阻抗矩阵,I为未知电流展开系 数。阻抗矩阵Z的第m行第n列元素表示为:
其中m和n分别表示第m和第n个基函数的编号,sm和sn分别表示第m和 第n条边所在的三角形。V为右边向量,其矩阵元素Vm表示为:
第四步,在每个非空组外建立等效面和测试面,将每个基函数及其散度用 等效面上的复点源进行展开,具体步骤为:
4.1以每个非空组的组中心为球心,半径为半径建立等效球面,D为 非空组的边长,在等效球面的表面上取一系列的等效源点,这些点在经度方向角 度间隔为Δθ,纬度方向角度间隔为等效源点数为Ne;
4.2以每个非空组的组中心为球心,半径为半径建立测试球面,D 为非空组的边长,在测试球面的表面上取一系列的测试点,这些点在经度方向角 度间隔为Δθ,纬度方向角度间隔为如图3所示;
4.3在等效面上对基函数进行展开,具体步骤为:
4.3.1计算等效面测试矩阵Zt,矩阵大小为Ne×Ne,第i行第j列矩阵元素 为:
其中表示测试球面上点的坐标,表示等效面上等效点的复坐标 b为复波束宽度,为等效球面中心指向等效点的单位矢量。
4.3.2计算右边系数矩阵B,大小为Ne×3,其第i行矩阵元素分别为:
4.3.3利用直接求逆方法求解Ztωx=B(:,1)、Ztωy=B(:,2)和Ztωz=B(:,3), 得到在等效面上的展开系数ωx、ωy和ωz,其中B(:,1)、B(:,2)和B(:,3)分别表 示矩阵B的第1、2和3列;循环所有的基函数,得到所有基函数的展开系数。
4.3.4计算右边系数向量B',大小为Ne×1,其第i行元素为 为散度算子;循环所有的基函数,得到所有基函数散度 的展开系数。
4.3.5利用直接求逆方法求解得到在等效面上的展开系数
第五步,将矩阵Z中的远场作用组形成的矩阵用等效面上复点源之间的作用 表示,当第m个基函数和第n个基函数所在的组互为远场组时,(3)式可以表示 为:
其中,分别表示第m个基函数的展开系数,表示第m个基函 数散度的展开系数。设定角度阈值θt,当组中心与等效面上等效点形成的矢量与 组中心连线方向矢量之间的夹角小于θt时,保留该等效点,否则当组中心与等效 面上等效点形成的矢量与组中心方向矢量之间的夹角大于θt时,舍去该等效点, 如图4所示。得到矩阵方程组Z'I=V。
第六步,利用迭代方法求解矩阵方程组Z'I=V,得到感应电流展开系数I, 计算雷达散射截面RCS,表示为:
其中表示远场散射场。
为了验证本方法的正确性与有效性,下面给出数值算例。
如图5所示为一长方体模型,横截面0.4米×0.4米,高6米,入射波频率 freq=300MHz,平面波入射方向θ=0°,最细层采用0.2λ分组,共分为3 层,第1层、第2层、第3层的非空组尺寸分别为0.375米、0.75米、1.5米, 对应的复波束宽度b分别取0.06、0.328、0.78,舍取角度θt分别为160°、90°、 90°。图6给出了本发明方法和矩量法的对比结果,可以看出两种方法吻合良好。 表1给出了本发明方法和矩量法计算所需的时间和内存统计,可以看出本发明方 法能够降低计算时间和内存消耗。
表1 内存和时间消耗
机译: 使用雷达探测交通的方法包括当波束幅度超过设定值时,使用电磁波和对频谱波束进行目标检测来过滤
机译: 获取用于向快速移动的目标射击的炮兵数据的新方法及其装置
机译: 具有取决于目标体积内的切片位置来设置切片的准备脉冲的磁共振设备和多层数据获取方法