用多種高頻電磁散射對大型艦船目標(biāo)進(jìn)行電磁仿真的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用多種高頻電磁散射對大型艦船目標(biāo)進(jìn)行電磁仿真的方法，主要解決現(xiàn)有技術(shù)的對大型艦船電磁仿真速度慢、計算精度低的問題。其實現(xiàn)步驟是：利用CAD建模軟件建立尺寸；將模型雙尺度網(wǎng)格剖分；利用彈跳射線法對入射射線進(jìn)行追蹤，并利用八叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和雙尺度遮擋判斷模型加速循跡過程；計算被照亮網(wǎng)格在遠(yuǎn)區(qū)的反射場和繞射場；計算出艦船模型的總散射場和雷達(dá)散射截面。本發(fā)明提高了對大型艦船模型的仿真精度，通過八叉樹結(jié)合雙尺度遮擋判斷模型的使用保證了仿真的效率，可用于大型艦船目標(biāo)散射特性研究。
【專利說明】用多種高頻電磁散射對大型艦船目標(biāo)進(jìn)行電磁仿真的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于雷達(dá)【技術(shù)領(lǐng)域】，主要涉及電磁散射數(shù)值仿真，具體是一種利用多種高 頻近似電磁散射包括彈跳射線方法SBR、物理光學(xué)方法PO和物理繞射理論PTD的混合方法 仿真大型艦船目標(biāo)的方法，用于獲取大型艦船目標(biāo)的電磁散射系數(shù)。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著雷達(dá)技術(shù)的快速發(fā)展，電大尺寸目標(biāo)的電磁散射研究在理論分析與實際應(yīng)用 中具有重要的意義。從艦船目標(biāo)本身考慮，由于它具有很大的電尺寸及復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，其電磁 散射機(jī)理十分復(fù)雜。
[0003] 中外學(xué)者提出了很多電磁仿真技術(shù)來處理電大目標(biāo)的電磁散射問題，大致分為數(shù) 值方法和高頻近似方法。原則上講數(shù)值方法如矩量法非常適合計算復(fù)雜雷達(dá)的電磁散射問 題，但隨著目標(biāo)電尺寸的增大即使應(yīng)用快速積分方法計算效率也是難以忍受的。單一的高 頻近似方法雖然計算速度快，然而由于其基于特定的物理近似使其精度往往較低并且不具 有通用性，如物理光學(xué)方法PO由于忽略了多次反射和邊緣繞射使計算精度很難達(dá)到要求。 因此，對于復(fù)雜電磁目標(biāo)的計算多種高頻方法混合成為一種趨勢。基于彈跳射線方法SBR 和物理光學(xué)方法PO的混合方法由于考慮了目標(biāo)間的多次反射，使得計算精度大大提高。近 幾年來這種方法在對電大尺寸的目標(biāo)電磁分析中得到了很廣泛的應(yīng)用。但是由于彈跳射線 方法SBR中的射線循跡是非常耗時的，在沒有任何優(yōu)化加速的情況下其復(fù)雜度是三角面片 數(shù)量的平方，因而對于大型的艦船目標(biāo)其效率還是達(dá)不到實際應(yīng)用的要求。再者由于對大 型艦船目標(biāo)其自身結(jié)構(gòu)的特點，船體有很多的棱角結(jié)構(gòu)使得棱邊的繞射作用增強(qiáng)，現(xiàn)有的 基于彈跳射線方法SBR和物理光學(xué)方法PO的混合方法由于沒有考慮到繞射作用使得計算 結(jié)果和數(shù)值算法的計算結(jié)果相差很大。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于針對上述已有技術(shù)的不足，提供一種用多種高頻電磁散射對大 型艦船目標(biāo)進(jìn)行電磁仿真的方法，以提高電磁仿真的精度和效率。
[0005] 實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案，包括如下步驟：
[0006] (1)利用CAD建模軟件建立尺寸、形狀和實際大型艦船相接近的CAD模型；
[0007] (2)雙尺度網(wǎng)格剖分艦船：
[0008] (2a)對艦船模型進(jìn)行自適應(yīng)網(wǎng)格剖分得到一級網(wǎng)格，并存儲該網(wǎng)格數(shù)據(jù)；
[0009] (2b)根據(jù)仿真的中心頻率對一級網(wǎng)格進(jìn)行二次剖分，得到二級網(wǎng)格數(shù)據(jù)并存儲；
[0010](3)用射線模擬雷達(dá)入射波照射剖分好的艦船目標(biāo)，利用八叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和雙尺 度遮擋判斷技術(shù)加速射線循跡過程，找出每條射線所照亮的二級網(wǎng)格并記錄該網(wǎng)格編號；
[0011] (4)計算被照亮的網(wǎng)格面片在遠(yuǎn)區(qū)的反射場式，并對被照亮的網(wǎng)格面片的棱邊進(jìn) 行分類，根據(jù)不同的類型計算棱邊在遠(yuǎn)處產(chǎn)生的繞射場A;
[0012](5)將反射場尾和繞射場馬進(jìn)行矢量疊加得到總散射場I,α,，從而計算出大型 艦船目標(biāo)的雷達(dá)散射截面。
[0013] 本發(fā)明具有如下優(yōu)點：
[0014] 第一，本發(fā)明通過對三角網(wǎng)格的三條棱邊進(jìn)行分類處理，計算其在遠(yuǎn)區(qū)產(chǎn)生的繞 射場，使計算結(jié)果比原有的彈跳射線方法和物理光學(xué)方法更加精確。
[0015] 第二，本發(fā)明綜合運用了八叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和雙尺度遮擋判斷方法，使計算效率大 大提商。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 圖1是本發(fā)明的實現(xiàn)流程圖；
[0017] 圖2是本發(fā)明中用計算機(jī)輔助建模軟件建立的大型艦船模型示意圖；
[0018] 圖3是本發(fā)明中用八叉樹數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)的二維示意圖；
[0019]圖4是本發(fā)明中三面角模型的尺寸及其散射結(jié)果圖。
[0020] 圖5是本發(fā)明中平板模型的尺寸及其散射結(jié)果圖。
[0021] 圖6是本發(fā)明中小型艦船模型的尺寸及其散射結(jié)果圖。
[0022] 圖7是本發(fā)明中大型艦船模型的散射結(jié)果圖。

【具體實施方式】
[0023] 參照圖1，本發(fā)明的具體實現(xiàn)步驟如下：
[0024] 步驟1:利用CAD建模軟件建立尺寸、形狀和實際大型艦船相接近的CAD模型，如 圖2所示。
[0025] 步驟2:用雙尺度網(wǎng)格剖分艦船。
[0026](2a)采用三角網(wǎng)格對艦船模型進(jìn)行自適應(yīng)網(wǎng)格剖分得到一級網(wǎng)格，即在艦船模型 彎曲度大的地方用小三角形網(wǎng)格，在平整的地方用大三角形網(wǎng)格，以在保證剖分精度的同 時盡量減少三角網(wǎng)格的個數(shù)，將每個三角網(wǎng)格進(jìn)行編號，計算每個三角網(wǎng)格的面積、法線方 向，并保存這些數(shù)據(jù)記為一級網(wǎng)格數(shù)據(jù)；
[0027](2b)以入射波波長的1/6為標(biāo)準(zhǔn)對一級網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)分得到二級網(wǎng)格，在對一級網(wǎng) 格進(jìn)行細(xì)分時要保證細(xì)分后的網(wǎng)格大小均勻，符合電磁計算的要求，對每個二級網(wǎng)格進(jìn)行 編號，計算每個網(wǎng)格的面積、法線方向，保存網(wǎng)格數(shù)據(jù)記為二級網(wǎng)格。
[0028] 步驟3:利用八叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)結(jié)合雙尺度遮擋判斷技術(shù)加速射線循跡過程。
[0029] 所述的八叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖3所示，圖3中每一個方塊代表一個節(jié)點，最上方的方 塊表示根節(jié)點，根節(jié)點下有八個子節(jié)點，對于根節(jié)點下的每個子節(jié)點又可分為八個子節(jié)點。
[0030] 本步驟的具體實現(xiàn)如下：
[0031] (3a)根據(jù)一級網(wǎng)格數(shù)據(jù)的坐標(biāo)范圍得到能夠用包圍整個一級網(wǎng)格的包圍盒，并用 八叉樹的根節(jié)點存儲包圍盒數(shù)據(jù)；
[0032] (3b)將根節(jié)點存儲的包圍盒分為上、下、左、右、前、后八個子包圍盒，如果子包圍 盒所包含的二級網(wǎng)格數(shù)量小于預(yù)先設(shè)定的數(shù)值，則用根節(jié)點下的子節(jié)點存儲該包圍盒所能 包含的二級網(wǎng)格數(shù)據(jù)，否則，將該子節(jié)點繼續(xù)細(xì)分；
[0033] (3c)判斷入射射線與八叉樹所存儲的包圍盒是否相交：如果相交，則執(zhí)行步驟 (3d)，如果不相交，則停止該射線的追蹤；
[0034] (3d)判斷該包圍盒中所包含的二級網(wǎng)格是否被射線照亮：若照亮則存儲該網(wǎng)格 數(shù)據(jù)，否則，不存儲該網(wǎng)格數(shù)據(jù)。
[0035] 步驟4 :計算每個被照亮網(wǎng)格的反射場與繞射場。
[0036] (4a)利用物理光學(xué)方法PO計算照亮區(qū)域網(wǎng)格面片在遠(yuǎn)區(qū)的反射場見：
[0037]

【權(quán)利要求】
1. 一種用多種高頻電磁散射對大型艦船目標(biāo)進(jìn)行電磁仿真的方法，包括如下步驟： (1) 利用CAD建模軟件建立尺寸、形狀和實際大型艦船相接近的CAD模型； (2) 雙尺度網(wǎng)格剖分艦船： (2a)對艦船模型進(jìn)行自適應(yīng)網(wǎng)格剖分得到一級網(wǎng)格，并存儲該網(wǎng)格數(shù)據(jù)； (2b)根據(jù)仿真的中心頻率對一級網(wǎng)格進(jìn)行二次剖分，得到二級網(wǎng)格數(shù)據(jù)并存儲； (3) 用射線模擬雷達(dá)入射波照射剖分好的艦船目標(biāo)，利用八叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和雙尺度遮 擋判斷技術(shù)加速射線循跡過程，找出每條射線所照亮的二級網(wǎng)格并記錄該網(wǎng)格編號； (4) 計算被照亮的網(wǎng)格面片在遠(yuǎn)區(qū)的反射場瓦，并對被照亮的網(wǎng)格面片的棱邊進(jìn)行分 類，根據(jù)不同的類型計算棱邊在遠(yuǎn)處產(chǎn)生的繞射場見； (5) 將反射場良和繞射場烏進(jìn)行矢量疊加得到總散射場爲(wèi)^，從而計算出大型艦船目 標(biāo)的雷達(dá)散射截面。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用多種高頻電磁散射對大型艦船目標(biāo)進(jìn)行電磁仿真的方法， 其特征在于：所述步驟（2a)自適應(yīng)網(wǎng)格剖分得到一級網(wǎng)格，是采用三角網(wǎng)格剖分，即在彎 曲度大的地方用小三角形面片，在平整的地方用大三角形面片，以在保證剖分精度的同時 盡量減少三角面片的個數(shù)，給每個三角面片進(jìn)行編號，計算每個三角面片的面積、法線方 向，并保存這些數(shù)據(jù)記為一級網(wǎng)格數(shù)據(jù)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用多種高頻電磁散射對大型艦船目標(biāo)進(jìn)行電磁仿真的方法， 其特征在于：所述步驟（2b)對一級網(wǎng)格進(jìn)行二次剖分得到二級網(wǎng)格，是以入射波波長的 1/6為標(biāo)準(zhǔn)對一級網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)分，并保證細(xì)分后的網(wǎng)格大小均勻，符合電磁計算的要求，保 存網(wǎng)格數(shù)據(jù)記為二級網(wǎng)格。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用多種高頻電磁散射對大型艦船目標(biāo)進(jìn)行電磁仿真的方法， 其特征在于：所述步驟（3)利用八叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和雙尺度遮擋判斷技術(shù)加速射線循跡過 程，包括如下步驟： (3a)用八叉樹的根節(jié)點存儲能夠包圍整個一級網(wǎng)格的包圍盒數(shù)據(jù)； (3b)將根節(jié)點存儲的包圍盒分為上、下、左、右、前、后八個子包圍盒，如果子包圍盒所 包含的二級網(wǎng)格數(shù)量小于預(yù)先設(shè)定的數(shù)值，則用根節(jié)點下的子節(jié)點存儲該包圍盒所能包含 的二級網(wǎng)格數(shù)據(jù)，否則將該子節(jié)點繼續(xù)細(xì)分； (3c)判斷入射射線與八叉樹所存儲的包圍盒是否相交：如果相交，則執(zhí)行步驟（3d)， 如果不相交，則停止該射線的追蹤； (3d)判斷該包圍盒中所包含的二級網(wǎng)格是否被射線照亮：若照亮則存儲該網(wǎng)格數(shù)據(jù)， 否則，不存儲該網(wǎng)格數(shù)據(jù)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用多種高頻電磁散射對大型艦船目標(biāo)進(jìn)行電磁仿真的方法， 其特征在于：所述步驟（4)中計算反射場與繞射場，包括如下步驟： (4a)利用物理光學(xué)方法PO計算照亮區(qū)域網(wǎng)格面片在遠(yuǎn)區(qū)的反射場$ :
其中，ω為入射波角頻率，k為入射波波數(shù)，卩為從源點到場點的單位矢量，R為源點到 場點的距離，J為網(wǎng)格面片上的表面電流，j為虛數(shù)單位； (4b)將各階反射射線照射的三角形網(wǎng)格的三條棱邊分為如下三類： 第一類，棱邊處于被射線照亮區(qū)域的邊緣； 第二類，棱邊處于被射線照亮區(qū)域的內(nèi)部，且棱邊兩側(cè)的面片在同一平面內(nèi)； 第三類，棱邊處于被射線照亮區(qū)域的內(nèi)部，且棱邊兩側(cè)的面片不在同一平面內(nèi)； (4c)根據(jù)物理繞射理論PTD計算該棱邊在遠(yuǎn)區(qū)產(chǎn)生的繞射場烏：
其中，S為棱邊類型因子，對于第一類繞射δ取值為1，對于第二類繞射δ取值為 〇. 5,對于第三類棱邊δ取值為〇,Ie為棱邊上的電流，Ini為棱邊上的磁流，f為棱邊的單位 方向矢量，η為空間波阻抗。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用多種高頻電磁散射對大型艦船目標(biāo)進(jìn)行電磁仿真的方法， 其特征在于：所述步驟（5)計算散射總場，計算艦船的雷達(dá)散射截面，通過如下公式計算： (5a)散射總場的計算公式：
其中，N為被照亮網(wǎng)格面片的數(shù)量，巧為第n個被照亮網(wǎng)格面片的反射場，句為第n個 被照亮網(wǎng)格面片的繞射場； (5b)艦船模型雷達(dá)散射截面的計算公式：
其中，R為源點到場點的距離，$_為散射總場，爲(wèi)為入射場強(qiáng)。
【文檔編號】G06F17/50GK104318021SQ201410578738
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月24日
【發(fā)明者】郭立新, 范天奇 申請人:西安電子科技大學(xué)