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电大目标的时域及频域散射场计算方法研究

关莹  
【摘要】:随着信息技术的迅猛发展,现代战争已由机械化战争演变为信息化战争。现代探测设备和武器系统向智能化、高精度、远距离发展,传统作战武器在战场上的生存能力、突防和打击能力受到严重的威胁。隐身技术的出现极大地提高了武器装备的生存概率及战斗能力。隐身技术的探索必须从目标的电磁散射特性研究入手,而目标的电特大尺寸所导致的巨大未知量增加了目标雷达散射截面(RCS)预估的复杂度。另一方面,短脉冲通信和超宽带雷达的广泛应用对目标宽带RCS的快速预估提出了迫切的需求,亟需开展时域电磁理论和技术的深入研究。本论文密切结合“十一五”国防科技预研重点项目,研究了电大尺寸复杂目标的频域及时域散射计算方法,所取得的成果可概括为: 1.深入研究了裁剪非均匀有理B样条(NURBS)曲面建模技术。对于基于裁剪NURBS曲面建模的电大尺寸目标,从其标准格式的IGES(Initial Graphic ExchangeSpecification)模型输出文件中提取出后续电磁计算所需的几何信息,包括裁剪NURBS曲面基面的阶数、控制顶点、权因子、节点矢量和参数域与空间域的所有裁剪曲线,实现IGES文件的二次开发,使得目标建模与电磁计算的数据接口一致。 2.在深入分析裁剪NURBS曲面数学模型的基础上,实现了基于二维参数域的裁剪曲面上离散点的有效性判定方法。该方法将判定离散点是否位于三维空间裁剪曲面的有效域转化为判定离散点相应的参数是否位于裁剪曲面的二维参数定义域,简化了判定的过程,是后续电磁计算的预处理工作。 3.针对传统物理光学(PO)方法采用数值积分计算裁剪NURBS曲面上物理光学积分带来的计算速度慢、所需内存多的缺点,在深入分析驻相法(SPM)计算裁剪曲面物理光学积分失效原因的基础上,将驻相法与Gordon公式相结合,提出了SPM-Gordon方法计算裁剪曲面上的物理光学积分,同时提出了一种简单快速的遮挡判断方法。新方法兼具驻相法的速度优势与Gordon方法的灵活性,与数值积分相比速度提高十倍以上。 4.针对传统时域物理光学(TDPO)仅用于计算电大理想导体目标时域散射场的局限性,提出将TDPO推广应用于分析电大均匀介质目标的时域散射场。将菲涅尔反射系数引入频域物理光学近似,由逆傅里叶变换推导出介质TDPO的表达式,从而使TDPO能够分析电大均匀介质目标的瞬态散射及宽带RCS。 5.针对传统TDPO采用数值积分计算时域物理光学积分所导致的诸多缺点,如积分单元尺寸必须满足一定限制才能保证积分精度,计算速度慢等,提出了改进TDPO计算电大导体或者均匀介质目标的时域散射场及宽带RCS。改进TDPO将时域散射场表示为入射脉冲与时域物理光学积分之间的卷积运算。通过Radon变换得到了三角面片上时域物理光学积分的完全精确的闭式表达式,该表达式的精度与三角面片的尺寸无关。在满足建模精度的前提下,目标可以采用尽量大的三角面片进行拟合而不影响时域散射场的计算精度。 6.针对传统时域等效边缘电磁流(TD-EEC)计算目标的时域散射场时,需要将目标边缘离散为满足一定长度限制的直线段才能保证围线积分的计算精度,提出了改进的TD-EEC计算平板结构的时域散射场及宽带RCS。改进TD-EEC将时域散射场表示为入射脉冲与绕射系数沿边缘的围线积分之间的卷积运算。通过Radon变换提出了直线段上围线积分精确的闭式表达式,该表达式的精度与积分线段的长度无关。因此当绕射边缘为任意直边缘时,应用改进TD-EEC不需要对边缘进行离散,从而显著地提高计算速度并降低存储量。


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