掠海飞行器电磁散射特性快速仿真方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于目标电磁散射特性数值计算技术领域，特别是一种掠海飞行器电磁散 射特性快速仿真方法。
【背景技术】
[0002] 各种计算方法包括从高频近似方法到低频数值方法，以及关于计算各种媒质散射 特性的方法，都正在被广泛研究。在最近几十年内，随着计算电磁学的发展和应用，目前已 出现多种分析散射问题的方法，对电磁散射的分析方法大致主要从两种途径进行，即高频 近似方法、低频数值方法，二者均有其特点和局限。计算RCS的低频方法都是数值方法，按 其原理分为两类，一类是微分方程法，如有限元法（FEM)和时域有限差分（FDTD);另一类是 积分方程法，如：矩量法（MOM)。有限元法主要是求解微分方程问题，此方法适应性强，能适 应各种形状的边界，但它的缺点是计算量大，不适合无界区域，花费时间长。时域有限差分 法对于时域的分析是有效的，但由于计算量大的原因，目前也只能用于电小尺寸物体。作为 计算方法中最具代表性的矩量法，理论上，它可以适用于求解任意目标在任意入射场下的 散射问题。然而在求解过程中，该算法的可行性受到实际情况的限制。一方面，在计算大型 目标时，矩量法的矩阵求解复杂度太大，可能会碰到矩阵求逆不收敛的问题；另一方面，在 高频区，高频局部散射特性使得目标各部分之间的相互影响较小，从而降低了应用此类过 于复杂算法的必要性。因此，这类方法也常用于求解电小尺寸的物体。近年来，国内外学者 开始将抛物线方程方法应用于处理电磁散射问题.该算法把波动方程简化为抛物线方程， 将散射目标等效为一系列的面元或线元，然后通过散射体上的边界条件和场的空间递推方 式求解抛物线方程，把三维问题转化为一系列的二维问题来计算，通过近场--远场转换 得到远区散射场，进而计算目标的双站RCS。方法在数值方法和解析方法之间架起了一 座桥梁。数值方法如矩量法（MOM)，FDTD给出了 Mxawell方程的精确解；解析方法则基于射 线理论或物理光学理论。
[0003] 电磁计算的数值方法如有限元法（FEM)，时域有限差分方法（FDTD)等微分方法 去解决半空间电大尺寸目标的散射问题时，存在对传播空间的离散导致巨大的未知量等缺 陷。另一方面积分方程中将半空间格林函数与矩量法相结合，并引入快速多极子对较大尺 寸目标进行计算，但是由于受到现有计算机内存和计算时间的限制，还是无法较好处理电 大尺寸复杂目标的散射问题。
[0004] 由上可知，精确的数值方法解决电大尺寸物体在半空间环境下的散射时存在着困 难，而通过引入半空间的反射系数到PE方法中，可以快速计算掠海飞行器的散射问题，同 时将无网格方法来进行对复杂目标的建模。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种掠海飞行器电磁散射特性快速仿真方法，该方法不依 赖于目标的规则化网格剖分，同时加入半空间的影响不会提高未知量的增减，能够快速得 到电磁散射特性参数。
[0006] 实现本发明目的的技术解决方案为：一种掠海飞行器电磁散射特性快速仿真方 法，步骤如下：
[0007] 步骤1、建立物体的离散模型，确定抛物线的轴向方向作为X轴，采用网格对物体 沿抛物线的轴向方向进行离散处理，形成垂直于X轴的若干个切面，通过求解剖分的三角 形网格与切面交点确定每个切面所切物体的边界点，再通过四面体网格来判断所有节点的 位置；
[0008] 步骤2、构造矩阵方程，在X轴方向使用CN差分格式获取相邻两个切面间的关系， 在y轴、z轴方向采用RP頂构造形函数及空间导数，并且在散射体表面根据入射波和经过 海平面反射波的关系方程以及散度方程，联立构造出矩阵方程；
[0009] 步骤3、令X轴方向为待求的散射方向，依次对各个切面上的节点电场值进行递推 求解，通过不断更新边界点的信息以及方程的右边向量来求解下一个切面上各个离散节点 处的电场值；
[0010] 步骤4、对最后一个切面和前一个切面的电场值进行后处理：求解最后一个切面 和前一个切面的矩阵方程，得到两个切面相同离散节点处的电场值，根据这两个切面的电 场值对X轴方向的差分确定磁场，并通过电场磁场求得电磁流，根据互易定理确定雷达散 射截面积。
[0011] 本发明与现有技术相比，其显著优点为：（1)建立模型简单：在垂直于抛物线轴 向的切面上，不需要再建立类似于FDTD的等间距规则网格，只要确定一些离散点的信息即 可。（2)方程形成简单：将一个三维问题转化为一系列的二维问题进行求解，通过形函数构 造矩阵方程，矩阵形成快捷简便。（3)半空间环境因素的引入并没有使未知量增加，可以快 速得到电磁散射特性参数。
[0012] 下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
【附图说明】
[0013] 图1是本发明某一切面上未知量分布的示意图。
[0014] 图2是本发明能量沿抛物线轴向传播示意图。
[0015] 图3是本发明离散节点支撑域的示意图。
[0016] 图4是本发明前后两个切面边界点有交差情况处理的示意图。
[0017] 图5是本发明入射场方向与矢量抛物线轴向方向示意图。
[0018] 图6是本发明某掠海飞行器示意图。
[0019] 图7是本发明实施例中某掠海飞行器双站RCS曲线图。
【具体实施方式】
[0020] 下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
[0021] 结合附图1~6,本发明掠海飞行器电磁散射特性快速仿真方法，步骤如下：
[0022] 步骤1、建立物体的离散模型，确定抛物线的轴向方向作为X轴，采用网格对物体 沿抛物线的轴向方向进行离散处理，形成垂直于X轴的若干个切面，通过求解剖分的三角 形网格与切面交点确定每个切面所切物体的边界点，再通过四面体网格来判断所有节点的 位置，具体步骤如下：
[0023] 步骤1. 1、在每个切面上任意选取规则分布的参考点，所选参考点用于在X轴方向 上进行差分以及在y轴、z轴方向进行无网格形函数的构造；
[0024] 步骤1. 2、对散射体进行三角面元的面剖分，确定轴方向每个切面的方程，通过几 何关系求解三角面元与切面的交点，并将交点标记为每个切面上散射体的边界点；
[0025] 步骤1. 3、对散射体进行四面体的体剖分，通过判别参考点是否处于四面体内部区 分参考点处于散射体内部或者散射体外部，并对这些不同位置的参考点进行标记。
[0026] 首先，在每个（y_z)切面上选取一些分布均匀的参考点，这些参考点用作于两个 切面间的插值以及构造形函数时使用。
[0027] 用三角形面元对物体进行面剖分，获取物体表面的一些离散的节点信息。垂直于X 轴即为抛物线轴向，形成很多切面，这些切面与三角形相交，通过节点的几何信息求解出与 切面的交点，将这些交点作为散射体在当前切面的边界点。同时对散射体进行四面体的体 剖分，对每个切面上的参考点进行循环判断，看该点是否处于某个四面体的内部，如果该点 处于四面体的内部则认为该点为散射体的内部点，否则认为该点处在空气层。认为离空气 盒边界一定距离的点