一种可穿透目标电磁散射特性的特征模分析方法

技术领域

本发明涉及到对于可穿透目标雷达散射截面技术领域，并且可穿透目标电磁散射特性的特征模分析方法。

背景技术

特征模其实是一种固有的模式，并且该方法能够运用在任意的电磁目标结构，仅仅和电磁结构本身以及材料有关，和外在的激励源无关。特征模方法的优势在于它可以计算多个模式，同时分析模式电流，模式的谐振特性以及模式场等。通过对特征模的分析，更加清楚的展示了电磁目标结构的辐射和散射机制，为减少在天线以及目标结构求解电磁响应问题上的重复优化过程，可做到精准求解和分析，从而为计算电磁响应提供了非常方便的工具。

由于电场积分可同时应用于闭域和开域结构，所以传统的金属特征模理论是基于电场积分方程建立起来的。应用矩量法的离散方法并建立RWG基函数，根据场源点位置填充阻抗矩阵。考虑到加权特征值方程，将阻抗矩阵的实部作为加权矩阵可得到传统金属目标的广义特征值方程。广义特征值方程的求解可采用直接解法和迭代解法，计算出特征模式电流和特征值。金属目标和可穿透目标的积分方程和矩阵方程形式不同，金属体特征模理论的发展流程很好地启迪了后续更为复杂电磁结构特征模理论的研究发展。

在复杂电磁结构的特征模理论及其计算方法研究(黄少德，博士学位论文，电子科技大学)中的第三章提到了关于PMCHW的广义特征值方程，该方法只是求特征模式的求解，需要发明一种更好的研究可穿透目标的电磁散射特性的方法。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种可穿透目标电磁散射特性的特征模分析技术，该方法的发明扩大了特征模理论的使用范围，具体的技术方案如下：

根据可穿透目标表面等效原理，对电场和磁场的表面积分方程进行线性组合，建立基于PMCHW公式的混合积分方程，采用矩量法对该方程进行离散，获得可穿透目标的PMCHW矩阵方程；

引入一个复标量因子与子矩阵相乘，将非对称的PMCHW复矩阵方程转化为对称形式，采用高斯消去法，获得关于表面电流的缩减矩阵方程，分离该缩减矩阵方程的实部和虚部，建立关于表面电流的广义特征值方程；

利用广义特征值方程求解器，求解上述广义特征值方程，获得特征模式下的特征值和特征电流，对特征电流进行加权求和，获得可穿透目标表面的感应电流，并恢复出磁流，进而计算出该可穿透目标的雷达散射截面；

通过对可穿透目标进行特征模式的分析，首先是积分离散的信息建立起来的PMCHW方程，该方程中填充完毕的阻抗矩阵是非对称矩阵，引入复数标量因子，将其非对称矩阵转换为对称矩阵，加以特征模理论，建立起基于PMCHW的广义特征值方程，求解出模式特征电流取全部模式以后便可精确的恢复出感应电流，进而计算出雷达散射截面。

进一步的，所述的PMCHW方程是根据不同的面积分方程所建立起来的，而方程中的阻抗矩阵立也是基于可穿透目标的离散剖分信息，此矩阵是非对称结构。

进一步的，所述的非对称阻抗矩阵需要转化为对称矩阵才能使用特征模理论建立起广义特征值方程，该对称性修正的方法是将单一子矩阵与一个复数标量因子相乘。

进一步的，所述的广义特征值方程是使用直接解法，而此直接解法是通过LAPACK库中的sgeev函数进而求解出特征电流和特征值。

进一步的，所述的特征电流可以通过加权系数叠加来表示感应电流，用来替换阻抗矩阵方程的电流列向量，组合可以可得到未知数为模式加权因子的矩阵方程，即可计算出模式加权因子的列向量，即可恢复出感应电流，此感应电流便可用来求解雷达散射截面。

进一步的，所属得到雷达散射截面是在所有模式特征电流计算所得，此数值与真实的雷达散射截面的数值十分近似。计算雷达散射截面的时候采用了部分模式的特征电流恢复出的感应电流，与全模式下的数值对比可发现，数值也十分近似，此方法便可简化了雷达散射截面的计算量。

本发明的一种可穿透目标电磁散射特性的特征模分析技术，是对可穿透目标的介质进行剖分离散后，此过程中可得到节点信息，坐标信息以及边长信息等，从而基于矩量法的PMCHW方程中阻抗矩阵即可填充完毕。然而填充后阻抗矩阵由于是非对称性的，为了能够使用特征模理论，将非对称矩阵进行修正，使用复标量因子与其子矩阵相乘即可修正为对称性。而解向量是有感应电流和磁流组成的，右边向量是根据入射激励场和试函数的内积填充。将矩阵方程的阻抗矩阵的实部和虚部分开，形成特征模中的广义特征方程，由于实部和虚部都是实对称矩阵，利用LAPACK库中的函数求解该方程后得到的特征电流和特征值也都是实数。求解得到的特征电流经过和加权因子相乘求和即可用来表示感应电流，即可代入到矩阵方程组合以后便可得到未知数为模式加权因子的矩阵方程。感应电流便可得恢复出。将恢复出的感应电流用便可求解出雷达散射截面。取部分模式电流恢复出的感应电流计算所得的雷达散射截面，与全模式下的雷达散射截面数值十分近似，此方法便简化为雷达散射截面的计算量，对电磁散射的分析也更加精确。

附图说明

图1为本发明所述分析可穿透目标雷达散射截面的特征模方法流程图示意；

图2为本发明所述可穿透目标物体结构示意图；

图3为本发明所述均匀可穿透目标的表面等效原理(a)外等效(b)内等效；

图4为本发明得到的雷达散射截面分布图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，附图中给出了本发明的较佳实施例。本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例，相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参阅图1，在本发明实施例中，提供了一种可穿透目标电磁散射特性的特征模分析技术，方法包括如下步骤：

S1：利用仿真软件HFSS，ANSYS对可穿透目标建模和离散的操作，获取可穿透目标模型的节点信息，坐标信息以及三角形单元信息等，作为.rwg输入文件，设置其工作频率，介电常数，波长及极化方向这几个参数，并设定入射场的方向和大小；

在仿真软件HFSS中需要使用基本操作建立模型，根据模型的尺寸，位置等参数调整模型的尺寸大小，导出.sat文件。将导出来的.sat文件导入到ANSYS中对可穿透目标的表面进行剖分离散，设置剖分单元为三角形，材料号为1，将剖分的尺寸设置在十分之一波长以内才能精确的计算可穿透目标模型的雷达散射截面，从而分析电磁散射特性。对可穿透目标建模，离散等操作，获取可穿透目标模型的节点信息，坐标信息以及三角形单元信息等，作为.rwg文件作为程序的输入文件，在程序中设定其工作频率，介电常数，极化方向，波长这几个参数。并将入射激励场的方向和大小确定下来。

S2：根据可穿透目标表面等效原理，对电场和磁场的表面积分方程进行线性组合，建立基于PMCHW公式的混合积分方程，采用矩量法对该方程进行离散，获得可穿透目标的PMCHW矩阵方程；

本发明的PMCHW方程是基于面积分方程得到的，面积分方程中的推导也是基于面等效原理，包括外等效和内等效。在如图3中所显示的外等效问题上，可穿透目标内部的总场为0，外部电场和磁场叠加和保持不变。由电磁场的边界条件可知，此时在介质表面一定存在等效电流源

将上述8个面积分方程中的第7个减去第第1个，即可得到右边项为入射电场的等效方程，

基于PMCHW公式的混合积分方程是经过矩量法离散得到的矩阵，离散的方法是采用三角形剖分单元以及RWG基函数。该发明示例中的物体工作频率为f＝300MHz，平面波的入射角θ

S2：引入一个复标量因子与子矩阵相乘，将非对称的PMCHW复矩阵方程转化为对称形式，采用高斯消去法，获得关于表面电流的缩减矩阵方程，分离该缩减矩阵方程的实部和虚部，建立关于表面电流的广义特征值方程。对该方程采用广义特征值求解器计算出特征模式下的特征电流和特征值；

在本发明实施例中，上述的PMCHW矩阵方程，离散化后的右边项的阻抗矩阵可用矩阵[Z]来表示，但是阻抗矩阵[Z]不是对称矩阵，在矩阵[Z]中每个单一的子矩阵都是各自独立对称的，这个组合方程的阻抗矩阵可以是通过加一个复数标量而被迫对称形式，从而形成新的对称阻抗算子。所以，PMCHW方程通过修正被定为如下的形式，

将对称阻抗矩阵的实部虚部分开，应用特征模理论，得到基于PMCHW方程的广义特征值方程；上述阻抗矩阵Z经过实部和虚部的操作，操作如下，Z＝R+jX，

对于广义特征值方程的求解，是采用LAPACK库中的函数进行求解得到的，首先是广义特征值方程转化为标准特征值方程，[X]

S3：根据特征电流和感应电流的关系，对特征电流进行加权求和，获得可穿透目标表面的感应电流，并恢复出磁流，进而计算出该可穿透目标的雷达散射截面。通过对雷达散射截面的分布情况来分析可穿透目标的电磁散射特性；

上述的广义特征值方程已经求解出来。特征模式一套完整的正交模式，用于将特定外部源产生的任何感应电流扩展到远场。换言之，可穿透目标上的感应电流可以写成特征电流的叠加：

雷达散射截面是基于可穿透目标散射上具有各向同性的假设，可穿透目标在雷达波照射下所产生的回波强度的一个物理量。其计算是公式为，

对特征模式下的特征电流加权求和，可取全部模式和部分模式，便可恢复出感应电流，利用计算所得的感应电流可精确计算出可穿透目标的雷达散射截面。选取合适的部分特征模式的特征电流也可精确的计算出雷达散射截面

感应电流可等于J＝α

参阅图2，图示为本发明所述的一种利用特征模方法计算可穿透目标雷达散射截面 (RCS)，该方法是在可穿透目标下进行分析计算的，该物体的尺寸显示，介质球的半径为1米，并在自由空间下进行分析剖分后的物体结构图在图2的右边

参阅图4，图示为本发明所述的一种利用特征模方法计算可穿透目标雷达散射截面 (RCS)，雷达散射截面的扫描角度Theta从0°到180°。将全模式下计算出的雷达散射截面与部分模式下的雷达散射截面进行对比，便可得出采用部分模式特征电流便可精确近似雷达散射截面。在图中可以明显的看出，设定的Theta为观察角，并且观察范围为 0°到180°，在整个Theta变化范围内，从0°到30°，雷达散射截面的数值呈下降的趋势，也就是说在这个角度范围内可穿透目标的辐射能力减缩，观察角在[115°,125°]，数值呈上升的趋势，并增加了30dB，也就是说在这个角度范围内可穿透目标的辐射能力逐渐增强。在0°时雷达散射截面的数值是最大的，此时的辐射能力也是最强的。在110°式数值低到-30dB，，此时的辐射能力也是最弱的。通过该方法计算出的雷达散射截面更好的分析可穿透目标的散射和辐射特性。

在整个程序的计算过程中，程序的输入是模型的离散信息，离散的方法是在HFSS中建立起如图2所示的可穿透目标模型，并导出.sat文件。将该文件导入到ANSYS中进行表面剖分，剖分的单元为三角形，剖分得到的信息包括节点以及坐标信息，边信息以及三角形单元信息等。将这些信息形成.lis文件，作为输入文件放入前处理程序中得到最终的.RWG文件，该文件作为基于PMCHW计算特征模程序的输入文件，按照上述的步骤进行程序的编写以及验证，输出的数据在EXCEL中展示为如图4，最终程序可利用特征模方法计算出可穿透目标的雷达散射截面，通过雷达散射截面的分布图来分析可穿透目标的电磁散射特性。

以上仅为本发明的较佳实施例，但并不限制本发明的专利范围，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明专利保护范围之内。