基于矩量法和拋物線方程的含腔目標電磁散射分析方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于目標電磁散射特性數(shù)值計算技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種基于矩量法和拋物 線方程的含腔目標電磁散射分析方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近十幾年來，電大尺寸復(fù)雜腔體的電磁散射特性分析引起了人們廣泛的研究興 趣。在飛行器等復(fù)雜目標電磁散射特性研究中，對于常用雷達頻段，以進氣道、座艙為典型 代表的電大尺寸復(fù)雜腔體是整機目標的主要散射源之一，因此這類腔體的電磁散射特性分 析是飛行器的隱身、反隱身及目標特征分析技術(shù)的重要基礎(chǔ)。在電磁兼容研究領(lǐng)域，電子設(shè) 備機箱、艦艇艙室等都可以看作為復(fù)雜的腔體結(jié)構(gòu)，其電磁環(huán)境和電磁干擾的準確的仿真 分析，對于解決機箱內(nèi)各電路元器件之間和艙室內(nèi)各設(shè)備之間的電磁干擾問題，提高電磁 兼容性能具有重要意義。另外，復(fù)雜結(jié)構(gòu)腔體的電磁特性分析對某些微波器件與電路的設(shè) 計也具有參考價值。這類復(fù)雜腔體的電尺寸往往很大，難以應(yīng)用單純的低頻方法或高頻方 法對其電磁特性進行分析。而拋物線方程方法在處理電大復(fù)雜金屬目標有很大的優(yōu)勢。
[0003] 拋物線方程方法初期主要用來處理比較復(fù)雜的聲波的傳播問題和光學(xué)等方面的 問題。該方法首先是由Lenontovich在1946年提出。隨后，Malyuzhiners將PE方法和幾 何光學(xué)法結(jié)合，提出了一種關(guān)于障礙物繞射的理論；Hardin提出了分裂步傅立葉方法，用 來解決水下聲波的傳播問題；Claerbout引入了有限差分，將PE方法應(yīng)用于地球物理學(xué)，它 對長距離聲波在海洋中的傳播和地震波傳播的計算和研究提供了一種有效、準確的方法。 近年來，國內(nèi)外學(xué)者開始將拋物線方程方法應(yīng)用于處理電磁散射問題.該算法把波動方程 簡化為拋物線方程，將散射目標等效為一系列的面元或線元，然后通過散射體上的邊界條 件和場的空間遞推方式求解拋物線方程，把三維問題轉(zhuǎn)化為一系列的二維問題來計算，通 過近場--遠場轉(zhuǎn)換得到遠區(qū)散射場，進而計算目標的雙站RCS。
[0004] 由上可知，傳統(tǒng)無網(wǎng)格拋物線解決電大含腔物體的散射時存在著困難，而PE方法 可以快速計算電大尺寸金屬問題的散射問題，因而無網(wǎng)格拋物線結(jié)合快速多極子分析含腔 物體很好的解決了含腔目標的電磁散射問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種高效、可靠的基于矩量法和拋物線方程的含腔目標電 磁散射分析方法，該方法不依賴于金屬目標的規(guī)則化網(wǎng)格剖分，腔體部分運用快速多級子 進行求解，能夠快速得到電磁散射特性參數(shù)。
[0006] 實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種基于矩量法和拋物線方程的含腔目標電 磁散射分析方法，步驟如下：
[0007] 步驟1、將含腔目標的腔體部分填充為實心的金屬，建立填充后目標的離散模型， 確定拋物線的軸向方向作為X軸，采用網(wǎng)格對物體沿拋物線的軸向方向進行離散處理，形 成垂直于X軸的若干個切面，通過求解剖分的三角形網(wǎng)格與切面交點確定每個切面所切目 標的邊界點，再通過四面體網(wǎng)格判斷所有節(jié)點的位置；
[0008] 步驟2、構(gòu)造矩陣方程，在X軸方向使用CN差分格式獲取相鄰兩個切面間的關(guān)系， 在y軸、z軸方向分別采用RPIM構(gòu)造形函數(shù)及空間導(dǎo)數(shù)，并且引入散射體表面總場切向分 量為〇以及散射場散度為〇的邊界條件，構(gòu)造出矩陣方程；
[0009] 步驟3、令X軸方向為待求的散射方向，依次對各個切面上的節(jié)點電場值進行遞推 求解，通過不斷更新邊界點的信息以及方程的右邊向量來求解下一個切面上各個離散節(jié)點 處的電場值；
[0010] 步驟4、對最后一個切面的電場值進行修正，求解最后一個切面的矩陣方程，得到 離散節(jié)點處的電場值，將其電場進行相位的修正；
[0011] 步驟5、將目標中腔體部分單獨用快速多級子進行求解，將腔體表面離散得到的 子散射體分組，根據(jù)任意兩個子散射體所在組的位置關(guān)系采用不同的方法計算阻抗矩陣元 素，運用電場積分方程求解出腔體表面的電流；
[0012] 步驟6、由含腔目標腔體表面電流求出腔體開口面上拋物線方程所需各個離散點 的電場場值；
[0013] 步驟7、對最后一個切面上的電場進行后處理，將步驟6所得的腔體開口面上的電 場替換掉步驟4所得的原目標腔體開口處的電場，對所得的近場電場值進行近遠場轉(zhuǎn)換求 解雷達散射截面積。
[0014] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點為：（1)建立模型簡單：在垂直于拋物線軸 向的切面上，不需要再建立類似于FDTD的等間距規(guī)則網(wǎng)格，只要確定一些離散點的信息即 可。（2)方程形成簡單：將一個三維問題轉(zhuǎn)化為一系列的二維問題進行求解，通過形函數(shù)構(gòu) 造矩陣方程，矩陣形成快捷簡便。（3)形成矩陣方程性態(tài)較好：由于各個離散的節(jié)點場值只 跟其支撐域內(nèi)的節(jié)點場值有關(guān)，所以形成的矩陣是一個稀疏矩陣，內(nèi)存消耗較小，矩陣性態(tài) 較好易于求解。
[0015] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述。
【附圖說明】
[0016] 圖1是本發(fā)明某一切面上未知量分布的示意圖。
[0017] 圖2是本發(fā)明能量沿拋物線軸向傳播示意圖。
[0018] 圖3是本發(fā)明離散節(jié)點支撐域的示意圖。
[0019] 圖4是本發(fā)明前后兩個切面邊界點有交差情況處理的示意圖。
[0020] 圖5是本發(fā)明入射場方向與矢量拋物線軸向方向示意圖。
[0021] 圖6是本發(fā)明實施例中金屬含腔目標在不同頻率下觀察點處RCS曲線圖。
[0022] 圖7是本發(fā)明實施例中金屬含腔目標在320MHz下后向散射曲線圖。
【具體實施方式】
[0023] 下面結(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述。
[0024] 結(jié)合附圖1~5,本發(fā)明基于矩量法和拋物線方程的含腔目標電磁散射分析方法， 步驟如下：
[0025] 步驟1、將含腔目標的腔體部分填充為實心的金屬，建立填充后目標的離散模型， 確定拋物線的軸向方向作為X軸，采用網(wǎng)格對物體沿拋物線的軸向方向進行離散處理，形 成垂直于X軸的若干個切面，通過求解剖分的三角形網(wǎng)格與切面交點確定每個切面所切目 標的邊界點，再通過四面體網(wǎng)格判斷所有節(jié)點的位置，具體步驟如下：
[0026] 步驟1. 1、確定目標分別在X軸、y軸、z軸方向的最小坐標值以及最大坐標值；
[0027] 步驟1. 2、確定X軸方向上的離散間隔為delx，且delx小于十分之一的電波長，垂 直于 X 軸的切面方程為：x=n*delx，且n=0, 1，2,. . . [ (max_x - min_x) /delx]，其中 max_x 代 表x軸方向最大坐標值，min_x代表x軸方向最小坐標值，□代表向下取整數(shù)，目標與x軸 方向離散出來的一系列的切面相切，之后通過點與面之間的幾何關(guān)系求解出各個切面上目 標的邊界點；
[0028] 步驟1.3、根據(jù)目標的幾何關(guān)系，確定處于目標內(nèi)部的離散節(jié)點、處于目標邊界上 的離散節(jié)點、空氣層的離散節(jié)點以及PML層對應(yīng)的離散節(jié)點。
[0029] 首先，在每個（y_z)切面上選取一些分布均勻的參考點，這些參考點用作于兩個 切面間的插值以及構(gòu)造形函數(shù)時使用。參考點之間的距離根據(jù)需要進行設(shè)定，一般情況下 選定定為十分之一個波長。用三角形面元對目標進行面剖分，獲取物體表面的一些離散的 節(jié)點信息。垂直于X軸即為拋物線軸向，形成很多切面，這些切面與三角形相交，通過節(jié)點 的幾何信息求解出與切面的交點，將這些交點作為散射體在當前切面的邊界點。同時對散 射體進行四面體的體剖分，對每個切面上的參考點進行循環(huán)判斷，看該點是否處于某個四 面體的內(nèi)部，如果該點處于四面體的內(nèi)部則認為該點為散射體的內(nèi)部點，否則認為該點處 在空氣層。認為離空氣盒邊界一定距離的點為PML層內(nèi)的參考點。
[0030] 通過上面的方法可得到各個切面上物體邊界的節(jié)點，結(jié)合每個面上散射體外的參 考點，構(gòu)成了一個切面上總的未知量，各個切面的未知量分別由每個面上散射體外部固有 的離散參考點和邊界點相加得到。某個切面上未知量的分布示意圖如圖1所示，根據(jù)各個 點的幾何位置關(guān)系以及坐標關(guān)系確定出點所在的位置的屬性，具體判斷準則如下所示：
[0031] 第1 :離切面的上下左右邊緣1個波長的節(jié)點都設(shè)置為PML的性質(zhì)；
[0032] 第2 :由上述方法找到的交點即為物體的邊界點，由邊界點連成的輪廓線內(nèi)的所 有節(jié)點為物體的內(nèi)部節(jié)點，這些參考點不作為當前面的未知量；
[0033] 第3 :其余的節(jié)點即為空氣層的離散節(jié)點。
[0034] 以上即可完成目標的建模，為下面的矩陣構(gòu)造以及求解奠定了基礎(chǔ)。
[0035] 步驟2、構(gòu)造矩陣方程，在X軸方向使用CN差分格式