本發(fā)明屬于目標(biāo)電磁散射特性的快速計(jì)算技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種應(yīng)用于金屬?gòu)?fù)雜非均勻媒質(zhì)混合目標(biāo)的電磁散射分析方法。

背景技術(shù)：
隨著金屬?gòu)?fù)雜非均勻媒質(zhì)混合目標(biāo)越來(lái)越多的出現(xiàn)在實(shí)際應(yīng)用中，提出一種精確而有效的電磁分析方法就顯得極為重要。在計(jì)算電磁學(xué)領(lǐng)域也相繼出現(xiàn)了一些解決此類結(jié)構(gòu)的電磁散射特性問(wèn)題的數(shù)值計(jì)算方法。針對(duì)這種金屬介質(zhì)混合結(jié)構(gòu)，金屬部分通常被作為理想導(dǎo)電體（PEC）來(lái)處理,并且容易被面積分方程方法（SIE）來(lái)分析求解，其中RWG基函數(shù)（RaoM,WiltonDandGlissonA.Electromagneticscatteringbysurfacesofarbitraryshape.IEEETransactiononAntennasandPropagation,1982,30(3):409–418.）由于其靈活性通常被被用來(lái)作為展開未知電流的基函數(shù)。介質(zhì)部分，通常使用體積分方程方法（SchaubertD,WiltonDandGlissonA.Atetrahedralmodelingmethodforelectromagneticscatteringbyarbitrarilyshapedinhomogeneousdielectricbodies.IEEETransactiononAntennasandPropagation,1984,32(1):77–85.）進(jìn)行分析。由于復(fù)雜非均勻媒質(zhì)部分采用體剖分造成未知量巨大，即便采用了多層快速多級(jí)子（MLFMM）（Tao,S.F.Ding,D.Z.;Chen,R.S.;Chen,M.ElectromagneticanalysisofelectricallylargeandarbitrariedshapedFSSusinghybridVSIEcombinedwithparallelizedMLFMM.ICMMT2010,Chengdu,614–616.）加速的矩量法進(jìn)行求解，依然面臨者計(jì)算資源消耗高的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提出本一種多層快速多極子（MLFMM）、快速遠(yuǎn)場(chǎng)近似（RPFMA）以及射線追蹤（FAFFA）相結(jié)合的分析金屬?gòu)?fù)雜非均勻媒質(zhì)混合目標(biāo)的電磁散射問(wèn)題的快速分析方法。由于對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)部分采用更高效的計(jì)算方式，本發(fā)明對(duì)于求解金屬?gòu)?fù)雜非均勻媒質(zhì)混合目標(biāo)散射問(wèn)題需要更少的計(jì)算內(nèi)存以及計(jì)算時(shí)間。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案為：一種應(yīng)用于金屬?gòu)?fù)雜非均勻媒質(zhì)混合目標(biāo)的電磁散射分析方法，具體步驟如下：第一步，根據(jù)混合結(jié)構(gòu)的散射特性，目標(biāo)上的總電場(chǎng)等于入射場(chǎng)與散射場(chǎng)之和，入射電場(chǎng)為已知激勵(lì)，均勻平面波通常被用來(lái)作為入射電場(chǎng)，散射電場(chǎng)可以用待求的電通密度和感應(yīng)電流密度來(lái)表示，其中，ZDD代表介質(zhì)對(duì)介質(zhì)的作用，ZDM表示介質(zhì)對(duì)金屬的作用，ZMD都表示介質(zhì)和金屬的相互作用部分，ZMM示金屬對(duì)金屬的作用；第二步，將自由空間中格林函數(shù)基于加法定理展開，結(jié)合體面積分方程的表達(dá)式，給出遠(yuǎn)場(chǎng)部分的聚合因子，轉(zhuǎn)移因子和配置因子的具體表達(dá)形式；第三步，結(jié)合體面積分方程的特性，利用射線追蹤的基本原理，合理的選擇出轉(zhuǎn)移因子中角譜分量大的部分，將角譜分量小的部分舍棄掉；第四步，結(jié)合體面積分方程的特性，在更高層采用快速遠(yuǎn)場(chǎng)近似的方法計(jì)算遠(yuǎn)場(chǎng)作用；第五步，矩陣方程求解以及電磁散射參數(shù)的計(jì)算。優(yōu)選地,所述體面積分方程中，對(duì)轉(zhuǎn)移因子進(jìn)行加窗處理，采用的窗函數(shù)表示如下：其中，L為球坐標(biāo)下θ方向L個(gè)離散點(diǎn)的個(gè)數(shù)，l為每個(gè)轉(zhuǎn)移因子分量的編號(hào)，經(jīng)過(guò)窗函數(shù)處理過(guò)后的轉(zhuǎn)移因子中較小的各個(gè)分量變得更小，設(shè)定每層轉(zhuǎn)移因子角譜分量閾值，令θe為設(shè)定閾值對(duì)應(yīng)的角譜分量方向與遠(yuǎn)場(chǎng)作用組中心連線方向的最大夾角，提取并計(jì)算角譜分量方向與兩作用組中心連線方向夾角不大于θe的角譜分量。優(yōu)選地,所述體面積分方程中，把快速遠(yuǎn)場(chǎng)近似、射線追蹤和多層快速多級(jí)子方法相結(jié)合，基于遠(yuǎn)場(chǎng)組之間的距離將每一層組與組之間采用快速多極子加速遠(yuǎn)場(chǎng)作用、射線多極子加速遠(yuǎn)場(chǎng)作用或者快速遠(yuǎn)場(chǎng)近似加速遠(yuǎn)場(chǎng)作用的方法進(jìn)行處理，從而在整體上實(shí)現(xiàn)加速遠(yuǎn)場(chǎng)計(jì)算的目的。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明是應(yīng)用于金屬?gòu)?fù)雜非均勻媒質(zhì)混合目標(biāo)的電磁散射分析方法，對(duì)于求解金屬?gòu)?fù)雜非均勻媒質(zhì)混合目標(biāo)散射問(wèn)題,由于格林函數(shù)是自由空間的格林函數(shù)，本發(fā)明中采用了基于格林函數(shù)加法定理展開的快速多級(jí)子技術(shù)，加速了矩陣求解速度，同時(shí)節(jié)約了計(jì)算內(nèi)存，并且結(jié)合體面積分方程的特性，利用射線追蹤的原理，合理的舍去了轉(zhuǎn)移因子較小的分量，對(duì)于更高層遠(yuǎn)場(chǎng)組之間的作用，僅需計(jì)算組與組中心連接線方向的轉(zhuǎn)移分量，進(jìn)一步減少了計(jì)算時(shí)間和計(jì)算內(nèi)存。附圖說(shuō)明圖1是本發(fā)明的應(yīng)用于金屬?gòu)?fù)雜非均勻媒質(zhì)混合目標(biāo)的電磁散射分析方法中的埃瓦耳德球示意圖。圖2是本發(fā)明的應(yīng)用于金屬?gòu)?fù)雜非均勻媒質(zhì)混合目標(biāo)的電磁散射分析方法中多層快速多極子對(duì)應(yīng)的角譜分量示意圖。圖3是本發(fā)明的應(yīng)用于金屬?gòu)?fù)雜非均勻媒質(zhì)混合目標(biāo)的電磁散射分析方法中射線多極子對(duì)應(yīng)的角譜分量示意圖。圖4是本發(fā)明的應(yīng)用于金屬?gòu)?fù)雜非均勻媒質(zhì)混合目標(biāo)的電磁散射分析方法中快速遠(yuǎn)場(chǎng)近似對(duì)應(yīng)的角譜分量示意圖。圖5是本發(fā)明的應(yīng)用于金屬?gòu)?fù)雜非均勻媒質(zhì)混合目標(biāo)的電磁散射分析方法中雙戰(zhàn)RCS對(duì)比曲線示意圖。具體實(shí)施方式為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式做詳細(xì)的說(shuō)明，使本發(fā)明的上述及其它目的、特征和優(yōu)勢(shì)將更加清晰。圖1是本發(fā)明的應(yīng)用于金屬?gòu)?fù)雜非均勻媒質(zhì)混合目標(biāo)的電磁散射分析方法中的埃瓦耳德球示意圖，圖2是本發(fā)明的應(yīng)用于金屬?gòu)?fù)雜非均勻媒質(zhì)混合目標(biāo)的電磁散射分析方法多層快速多極子對(duì)應(yīng)的角譜分量示意圖，圖3是本發(fā)明的應(yīng)用于金屬?gòu)?fù)雜非均勻媒質(zhì)混合目標(biāo)的電磁散射分析方法射線多極子對(duì)應(yīng)的角譜分量示意圖，圖4是本發(fā)明的應(yīng)用于金屬?gòu)?fù)雜非均勻媒質(zhì)混合目標(biāo)的電磁散射分析方法快速遠(yuǎn)場(chǎng)近似對(duì)應(yīng)的角譜分量示意圖，如圖1至圖4所示，本發(fā)明提供了一種應(yīng)用于金屬?gòu)?fù)雜非均勻媒質(zhì)混合目標(biāo)的電磁散射分析方法，具體步驟如下：第一步，根據(jù)混合結(jié)構(gòu)的散射特性，目標(biāo)上的總電場(chǎng)等于入射場(chǎng)與散射場(chǎng)之和，入射電場(chǎng)為已知激勵(lì)，均勻平面波通常被用來(lái)作為入射電場(chǎng)，散射電場(chǎng)可以用待求的電通密度和感應(yīng)電流密度來(lái)表示，其中，ZDD代表介質(zhì)對(duì)介質(zhì)的作用，ZDM表示介質(zhì)對(duì)金屬的作用，ZMD都表示介質(zhì)和金屬的相互作用部分，ZMM表示金屬對(duì)金屬的作用。表示形式如下，其中，和分別代表體和面測(cè)試基函數(shù)，ω為電磁波角頻率，和分別為，，和表示待求的電通量密度和金屬面電流密度，是自由空間的格林函數(shù)。上式中右邊向量是由平面波產(chǎn)生的，可以寫成第二步，對(duì)自由空間的格林函數(shù)按照加法定理展開，假設(shè)在給定的一層中，任一組m中有一個(gè)場(chǎng)點(diǎn)ri，任一組n中有一個(gè)源點(diǎn)rj，rm、rn分別是場(chǎng)點(diǎn)組和源點(diǎn)組的中心點(diǎn)；兩個(gè)非空組中場(chǎng)點(diǎn)和源點(diǎn)的空間矢量記為：rij=ri-rj=rim+rmn+rnj，當(dāng)所分析的場(chǎng)點(diǎn)組和源點(diǎn)組不重合也不相鄰時(shí)，滿足|rim+rnj|＜|rmn|，自由空間的標(biāo)量格林函數(shù)可在角譜空間寫成：整個(gè)積分是定義在單位球SE上的，αmn是兩個(gè)組的轉(zhuǎn)移因子，定義如下：其中，jl(kd)為球貝塞函數(shù)，為第二類球漢克爾函數(shù)，為勒讓德函數(shù)；L是無(wú)限級(jí)數(shù)的截?cái)嚅L(zhǎng)度，L=kD+β(kD)1/3，D是分組的尺寸，β為精度參數(shù)，β≥2；用（θ，φ）表示單位球SE坐標(biāo)，積分點(diǎn)數(shù)為KL=2L2，其中在θ方向共采集L個(gè)點(diǎn)的一維高斯積分，φ方向共采集2L個(gè)點(diǎn)數(shù)的梯形法則積分；給出ZDD、ZMD、ZDM和ZMM聚合因子，轉(zhuǎn)移因子和配置因子的具體表達(dá)式分別為：以上分析可以看出，在體面積分方程中應(yīng)用快速多極子算法時(shí)，所有的單位球上的角譜分量都要用于轉(zhuǎn)移過(guò)程，用(θ,φ)來(lái)描述單位球(0≤θ≤π,0≤φ≤2π)，可以在θ方向(0,π)得到L個(gè)離散的點(diǎn)，在φ方向(0,2π)得到2L個(gè)離散的點(diǎn)，L是與層數(shù)以及目標(biāo)電尺寸有關(guān)的參量，且層數(shù)與電尺寸越大，L的值越大。因此，當(dāng)金屬介質(zhì)混合目標(biāo)的尺寸非常大時(shí)，僅ZDD項(xiàng)所需要的轉(zhuǎn)移量就很大，另外還有ZDM、ZMD和ZMM三項(xiàng)，可知，轉(zhuǎn)移因子所占內(nèi)存非常大，轉(zhuǎn)移過(guò)程是相當(dāng)耗時(shí)的。第三步，利用射線追蹤的基本原理，結(jié)合體面積分方程的特性合理的選擇出轉(zhuǎn)移因子中角譜分量大的部分，將角譜分量小的部分舍棄掉。轉(zhuǎn)移因子是兩個(gè)遠(yuǎn)場(chǎng)作用組中心距離和組的大小的函數(shù)，當(dāng)兩個(gè)遠(yuǎn)場(chǎng)作用組中心距離和組的大小確定時(shí)，轉(zhuǎn)移因子的特性類似于線性天線陣列的輻射方向圖特性，將轉(zhuǎn)移矩陣加上一個(gè)窗函數(shù)：其中，L為球坐標(biāo)下θ方向L個(gè)離散點(diǎn)的個(gè)數(shù)，l為每個(gè)轉(zhuǎn)移因子分量的編號(hào)。具體的做法是：在轉(zhuǎn)移因子上乘上窗函數(shù)的作用，使得兩組中心連線方向附近的轉(zhuǎn)移分量的值相對(duì)于其它部分轉(zhuǎn)移因子的值有陡峭的變化，在這種情況下，可以省略對(duì)轉(zhuǎn)移過(guò)程影響較小的角譜分量的作用，從而使得射線多極子獲得更高的效率。同時(shí)，可以驗(yàn)證這種處理對(duì)計(jì)算精度影響很小。接著需要設(shè)定需要轉(zhuǎn)移的角譜分量的范圍。如圖1所示，θr為兩作用組連線方向與z軸的夾角，φr為兩作用組連線方向向量在XOY面上投影和x軸的夾角，θe為設(shè)定的閾值對(duì)應(yīng)的角譜分量方向與兩作用組連線方向的夾角。在計(jì)算轉(zhuǎn)移因子的過(guò)程中，轉(zhuǎn)移因子角譜分量的大小隨著與遠(yuǎn)場(chǎng)作用組中心連線方向的夾角的增大而減小。這樣可以對(duì)轉(zhuǎn)移因子設(shè)定閾值對(duì)圓錐區(qū)域的大小進(jìn)行判定。在具體操作中，只需提取并計(jì)算角譜分量方向與兩作用組中心連線方向夾角不大于θe的角譜分量。在算法驗(yàn)證時(shí)可以得到這部分角譜分量可以很好地聯(lián)系兩個(gè)遠(yuǎn)場(chǎng)作用組的作用。第四步，結(jié)合體面積分方程的特性，在更高層采用快速遠(yuǎn)場(chǎng)近似的方法快速計(jì)算遠(yuǎn)場(chǎng)作用?？焖龠h(yuǎn)場(chǎng)近似方法中，當(dāng)場(chǎng)源之間的距離滿足一定的條件時(shí)，我們可以只計(jì)算場(chǎng)源連線方向上的角譜分量，這樣將轉(zhuǎn)移量降到最低。本發(fā)明中采用組與組之間采用快速遠(yuǎn)場(chǎng)近似的判據(jù)條件為：rmn＞3γdlevel（15）其中dlevel為該層組的電尺寸，γ為結(jié)合體面積分方程特點(diǎn)設(shè)置的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值，本發(fā)明中取為1.5。由此可以將快速遠(yuǎn)場(chǎng)近似、射線追蹤和多層快速多級(jí)子方法相結(jié)合，基于遠(yuǎn)場(chǎng)組之間的距離可以將每一層組與組之間的作用采用三種快速方法進(jìn)行處理：1快速多極子加速遠(yuǎn)場(chǎng)作用；2射線多極子加速遠(yuǎn)場(chǎng)作用；3快速遠(yuǎn)場(chǎng)近似加速遠(yuǎn)場(chǎng)作用。從而在整體上實(shí)現(xiàn)加速遠(yuǎn)場(chǎng)計(jì)算的目的，本發(fā)明中將這種方法稱為MLFMA-RPFMA-FAFFA方法，該方法具有進(jìn)一步簡(jiǎn)化了轉(zhuǎn)移因子的計(jì)算和存儲(chǔ)過(guò)程的優(yōu)點(diǎn)，具有重大的工程意義。第五步，矩陣方程求解以及電磁散射參數(shù)的計(jì)算。為了驗(yàn)證方法的效率和精度，下面給出了電大尺寸的金屬媒質(zhì)混合目標(biāo)的電磁散射的算例，把使用RPFMA+FAFFA+MLFMM方法計(jì)算結(jié)果與純MLFMM計(jì)算結(jié)果相對(duì)比，表1中可以看出該方法的高效性。一個(gè)200m*0.2m的金屬長(zhǎng)條，未知量為10007。用多層快速多極子分成8層計(jì)算，入射平面波頻率為300MHZ，垂直入射，TM極化，入射方向沿Z軸負(fù)方向，第四層開始使用RPFMA，其中LC表示從該層開始使用FAFFA近似處理，圖5是本發(fā)明的應(yīng)用于金屬?gòu)?fù)雜非均勻媒質(zhì)混合目標(biāo)的電磁散射分析方法雙戰(zhàn)RCS對(duì)比曲線示意圖，給出了其歸一化的RCS對(duì)比圖，并給出了兩種計(jì)算方法的相關(guān)參數(shù)對(duì)比，如表1所示，方法迭代時(shí)間(s)遠(yuǎn)場(chǎng)內(nèi)存消耗(MB)MLFMM44.31059本發(fā)明方法（Lc=4）3.6570.7本發(fā)明方法（Lc=5）2.0365.8本發(fā)明方法（Lc=6）1.3744.7表1本算例是在MicrosoftVisualStudio2005編譯器release模式調(diào)用八個(gè)進(jìn)程下運(yùn)行的結(jié)果。本發(fā)明的應(yīng)用于金屬?gòu)?fù)雜非均勻媒質(zhì)混合目標(biāo)的電磁散射分析方法，有益效果如下：實(shí)現(xiàn)過(guò)程簡(jiǎn)單，在多層快速多級(jí)子的基礎(chǔ)上，只需對(duì)轉(zhuǎn)移因子做處理即可；所需計(jì)算資源少，射線追蹤方法中由于只需要轉(zhuǎn)移場(chǎng)源連線方向周圍的角譜分量，相較于多層快速多級(jí)子中對(duì)單位球上的所有角譜分量進(jìn)行轉(zhuǎn)移，節(jié)省了轉(zhuǎn)移因子的計(jì)算時(shí)間和所需的存儲(chǔ)內(nèi)存。同時(shí)當(dāng)滿足快速遠(yuǎn)場(chǎng)近似的條件下，僅需計(jì)算轉(zhuǎn)移因子在場(chǎng)源組中心連線方向上的角譜分量，在滿足計(jì)算精度的條件下進(jìn)一步節(jié)省了計(jì)算資源。在以上的描述中闡述了很多具體細(xì)節(jié)以便于充分理解本發(fā)明。但是以上描述僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，本發(fā)明能夠以很多不同于在此描述的其它方式來(lái)實(shí)施，因此本發(fā)明不受上面公開的具體實(shí)施的限制。同時(shí)任何熟悉本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi)容對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案做出許多可能的變動(dòng)和修飾，或修改為等同變化的等效實(shí)施例。凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所做的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化及修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案保護(hù)的范圍內(nèi)。