海洋环境下舰船平台强电磁脉冲环境仿真预测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电磁计算技术领域，尤其涉及一种海洋环境下舰船平台强电磁脉冲环 境仿真预测方法。
【背景技术】
[0002] 海洋环境下舰船平台强电磁脉冲环境仿真预测的主要任务是计算舰船周围电场 分布和关键位置的脉冲响应。
[0003] 舰船平台属于超大物理尺寸和超电大尺寸的计算目标，普通电磁仿真软件难以完 成该项任务；其次，目前主流的电磁仿真理论及算法都没有考虑粗糙海面的影响。而实际上 在电磁脉冲频段，粗糙海面对电波传播具有显著影响，且随着电磁脉冲中心频率的升高而 增大；最后，绝大多数商用电磁仿真软件的计算结果均为频域信息，而工程实际中，往往需 要知道信号的时域信息，即在一定的带宽内信号的衰减情况。
【发明内容】
[0004] 本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中无法有效计算海面和舰船平台上 经多次反射后的电磁脉冲场时域波形的缺陷，提供一种海洋环境下舰船平台强电磁脉冲环 境仿真预测方法，该方法兼顾计算效率和计算精确度。
[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种海洋环境下舰船平台强电磁脉 冲环境仿真预测方法，包括以下步骤：
[0006] 1)生成有效传播路径；根据海面和舰船平台上可使电磁波发生反射或散射的主 要障碍物，采用射线追踪的方法确定电磁波在传播过程中可能存在的反射面，然后运用随 机桥的理论来判定该传播路径的有效性；
[0007] 2)确定有效传播路径后，得到传播路径中的反射点，利用所得的位置来确定电磁 波每条多径分量的路径延时；
[0008] 3)把电磁波多径分量在海面上的传播，作为索末菲尔德和Zenneck波在一维有限 粗糙导电表面上传播的模型来分析推导；根据粗糙面的特性，利用格林函数法，通过傅里叶 变换得出多径分量的幅度衰减函数；
[0009] 4)根据多径分量的幅度衰减函数和路径时延，确定多径分量的冲激响应，然后再 计算多径分量到达接收点的方位角，确定其方位角的概率分布，从而得到多径分量的空时 特性的表达式，即得出信道的冲激响应表达式。
[0010] 按上述方案，所述步骤1)中判定是否为有效射线的方法如下：需满足以下条件： 射线的反射点须在海面上，路径在传播中途没有穿过反射面。
[0011] 按上述方案，所述步骤2)中对于反射次数为i次的第j条的多径分量的超出时延 Tu可表不为：
[0012] t^.=(z^.-201)/〇 (式 1)
[0013] 其中，表示反射次数为i次的第j条的多径分量轨迹的路程长度，zw为该路径 传播的直线距离，C为电磁波传播速度。
[0014] 按上述方案，所述步骤2)中传播路径中的反射点获得方式如下：根据不同的布朗 桥方差以及数量生成不同的无线电波的路程样本，根据传播环境中使电磁波发生反射或散 射的主要障碍物，采用射线追踪的方法确定电磁波在传播过程中可能存在的反射面，然后 运用随机桥的理论来判定是否为有效射线，并得到射线的反射点。
[0015] 按上述方案，所述步骤2)中多径分量轨迹的路程长度服从类似瑞利分布。
[0016] 按上述方案，所述步骤3)中多径分量的幅度衰减函数a= ikr2-i[kx+kz (z+z0)],
[0017] 其中，i为虚数符号，k为Zenneck波的传播常数，kz为垂直于海平面方向的电磁 波传播常数，z为观察点的海拔高度，Z(l为辐射源的海拔高度，r2为从辐射源到观察点的空 间距离。
[0018] 按上述方案，所述步骤3)中多径分量的幅度衰减函数的计算包括以下步骤：
[0019] 3. 1)根据磁场强度方程和改进粗糙海面的格林积分方程，得到关于相干场的 Dyson方程；
[0020] 3. 2)利用频域法（傅里叶变换），求解Dyson方程，从而得到粗糙海面条件下的索 末菲尔德极点
[0021] 3. 3)根据索末菲尔德极点计算公式和相干场等效表面阻抗公式，计算Zenneck波 的传播常数，并根据数值距离，最终计算得到衰减函数a。
[0022] 按上述方案，所述步骤4)中得到的信道的冲激响应
【主权项】
1. 一种海洋环境下舰船平台强电磁脉冲环境仿真预测方法，其特征在于，包括w下步 骤： 1) 生成有效传播路径；根据海面和舰船平台上可使电磁波发生反射或散射的主要障 碍物，采用射线追踪的方法确定电磁波在传播过程中可能存在的反射面，然后运用随机桥 的理论来判定该传播路径的有效性； 2) 确定有效传播路径后，得到传播路径中的反射点，利用所得的位置来确定电磁波每 条多径分量的路径延时； 3) 把电磁波多径分量在海面上的传播，作为索末菲尔德和Zenneck波在一维有限粗趟 导电表面上传播的模型来分析推导；根据粗趟面的特性，利用格林函数法，通过傅里叶变换 计算多径分量的幅度衰减函数； 4) 根据多径分量的幅度衰减函数和路径时延，确定多径分量的冲激响应，然后再计算 多径分量到达接收点的方位角，确定其方位角的概率分布，从而得到多径分量的空时特性 的表达式，即得出信道的冲激响应表达式。
2. 根据权利要求1所述的仿真预测方法，其特征在于，所述步骤1)中判定是否为有效 射线的方法如下；需满足W下条件：射线的反射点须在海面上，路径在传播中途没有穿过 反射面。
3. 根据权利要求1所述的仿真预测方法，其特征在于，所述步骤2)中对于反射次数为 i次的第j条的多径分量的超出时延TU可表示为； Tij=(Zij-Z〇i)/c(式 1) 其中，Zy表示反射次数为i次的第j条的多径分量轨迹的路程长度，Z。1为该路径传播 的直线距离，C为电磁波传播速度。
4. 根据权利要求1所述的仿真预测方法，其特征在于，所述步骤2)中传播路径中的反 射点获得方式如下；根据不同的布朗桥方差W及数量生成不同的无线电波的路程样本，根 据传播环境中使电磁波发生反射或散射的主要障碍物，采用射线追踪的方法确定电磁波在 传播过程中可能存在的反射面，然后运用随机桥的理论来判定是否为有效射线，并得到射 线的反射点。
5. 根据权利要求1所述的仿真预测方法，其特征在于，所述步骤2)中多径分量轨迹的 路程长度服从类似瑞利分布。
6. 根据权利要求1所述的仿真预测方法，其特征在于，所述所述步骤3)中多径分量的 幅度衰减函数a=ikr2-i[Kx+kz(z+z。)]， 其中，i为虚数符号，k为Zenneck波的传播常数，k,为垂直于海平面方向的电磁波传 播常数，Z为观察点的海拔高度，Z。为福射源的海拔高度，r2为从福射源到观察点的空间距 离。
7. 根据权利要求1所述的仿真预测方法，其特征在于，所述步骤3)中多径分量的幅度 衰减函数的计算包括W下步骤： 3. 1)根据磁场强度方程和改进粗趟海面的格林积分方程，得到关于相干场的Dyson方 程； 3.2)利用频域法，求解Dyson方程，从而得到粗趟海面条件下的索末菲尔德极点； 3. 3)根据索末菲尔德极点计算公式和相干场等效表面阻抗公式，计算Zenneck波的传 播常数，并根据数值距离，最终计算得到衰减函数a。
8.根据权利要求1所述的仿真预测方法，其特征在于，步骤4)中得到的信道的冲激响 应
其中，Ty为反射次数为i次的第j条的多径分量的超出时延，aU是第ij条多径波 的衰减函数，N是总反射次数，Mi是第i次反射的总路径数，5表示单位冲激函数。
【专利摘要】一种海洋环境下舰船平台强电磁脉冲环境仿真预测方法，该方法包括以下步骤：1）生成有效传播路径；2）确定有效传播路径后，得到传播路径中的反射点，利用所得的位置来确定电磁波每条多径分量的路径延时；3）把电磁波多径分量在海面上的传播，作为索末菲尔德和Zenneck波在一维有限粗糙导电表面上传播的模型来分析推导；根据粗糙面的特性，利用格林函数法，通过傅里叶变换得出多径分量的幅度衰减函数；4）根据多径分量的幅度衰减函数和路径时延，确定多径分量的冲激响应，然后再计算多径分量到达接收点的方位角，确定其方位角的概率分布，即得出信道的冲激响应表达式。本方法能有效计算海面和舰船平台上经多次反射后的电磁脉冲场时域波形。
【IPC分类】G01R29-08
【公开号】CN104849573
【申请号】CN201510331266
【发明人】王冬冬, 郑生全, 邓峰
【申请人】中国舰船研究设计中心
【公开日】2015年8月19日
【申请日】2015年6月15日