基于互易性原理的粗糙面与目标复合电磁散射仿真方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于互易性原理的粗糙面与目标复合电磁散射仿真方法，主要解决现有技术仿真效率低、仿真通用性不强、内存需求高的问题。其实现步骤是：(1)根据粗糙面的功率谱密度函数，通过蒙特卡洛方法产生粗糙面；(2)根据目标大小形状要求，对目标进行几何建模；(3)将目标的几何模型加入粗糙面模型，生成复合模型；(4)利用基尔霍夫近似方法计算直接散射场；(5)根据互易性原理获取粗糙面和目标之间的耦合场；(6)根据直接散射场和耦合场，计算复合模型的总散射场；(7)根据复合模型的总散射场和入射场，获取复合模型的单站雷达散射参数。本发明具有仿真速度快，仿真精度高，仿真方法通用性强的优点，可用于处于粗糙面背景中的目标探测。
【专利说明】基于互易性原理的粗糙面与目标复合电磁散射仿真方法
【技术领域】
[0001]本发明属于雷达【技术领域】，主要涉及一种电磁散射数值仿真方法，用于获取粗糙面与目标复合单站雷达散射的参数。
【背景技术】
[0002]随着雷达技术的快速发展，粗糙面与目标的复合单站电磁散射研究在理论分析与实际应用中均具有重要的意义。当机载或者星载雷达对处于地海面等粗糙背景中的目标进行电磁探测时，雷达的回波信号中不仅包含了目标的信息还包含了粗糙面背景的电磁散射信号，通过分析这些回波信号，进而可以得出粗糙面以及探测目标的某些特性。因而，粗糙面与目标的复合电磁散射特性的研究各个领域具有显著的学术价值和广泛的应用前景。
[0003]在过去的几十年中，许多电磁仿真技术被学者提出用以处理地海面等粗糙面与目标复合电磁散射问题，大致分为近似方法、数值方法和混合方法。近似方法的优点是消耗内存低、分析速度快，然而近似方法都是基于特定的物理近似，其精度往往较低并且不具有通用性。相比于近似方法，数值方法能保持较高的仿真精度，但是其计算内存消耗大，分析速度慢，尤其是针对粗糙面与目标复合单站电磁仿真上，该类方法对内存的需求已经不是普通个人计算机的配置能满足的，且其仿真速度过于缓慢，仿真时间不能满足工程要求，故该类方法很难应用到实际大尺度粗糙面与电大尺寸目标的复合单站电磁散射仿真中。混合方法能够在一定程度上结合近似方法和数值方法的优点。利用互易性原理结合近似方法对粗糙面与目标的复合电磁散射进行仿真时，往往采用平面波为其入射源，这样会在有限长的粗糙面两端形成人工反射，降低了该仿真方法的准确度。而且利用已有互易性原理结合近似方法对复合问题进行仿真时目标形状是固定的，使得该仿真方法只能应用到粗糙面与某种特定形状目标的复合电磁散射问题中，限制了该仿真方法的通用性和工程应用范围。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，针对大尺度粗糙面与电大尺寸任意形状目标复合单站电磁散射仿真问题，提供了一种基于互易性原理的粗糙面与目标复合电磁散射仿真方法，以在保证精度的前提下降低仿真的内存需求，提高仿真效率和工程应用性。
[0005]实现本发明目的的技术方案，包括如下步骤:
[0006](I)根据地面或海面的功率谱密度函数，通过蒙特卡洛方法产生仿真的粗糙面；根据所需目标大小形状要求，利用仿真软件FEKO对目标进行几何建模，并将产生的目标几何模型加入粗糙面模型，生成仿真所需的复合模型；
[0007](2)采用锥形波作为雷达的入射源，照射该复合模型，利用基尔霍夫近似方法分别获得粗糙面表面和目标表面的等效电流J1和J2,并根据该等效电流与惠更斯原理获得粗糙面和目标对锥形入射波的直接散射场E1和E2 ；
[0008](3)在观察点处放置点电流源J6对目标进行照射，利用基尔霍夫近似方法得到点电流源Je在目标表面产生的等效电流Je2，并利用惠更斯原理获得目标上的等效电流在粗糙面上产生的感应电场E21 ；
[0009](4)利用互易性原理，计算粗糙面到目标的耦合场E3和目标到粗糙面的耦合场E4,再根据粗糙面的直接散射场Ep目标的直接散射场E2、粗糙面到目标的耦合场E3和目标到粗糙面的耦合场E4,获得该复合模型的总散射场Es:
[0010]Es = E1+E2+E3+E4
[0011](5)根据总散射场Es和入射场Ei,得到复合模型的单站雷达散射参数σ ( Θ S):
[0012]
【权利要求】
1.一种基于互易性原理的粗糙面与目标复合电磁散射仿真方法，包括如下步骤: (1)根据地面或海面的功率谱密度函数，通过蒙特卡洛方法产生仿真的粗糙面；根据所需目标大小形状要求，利用仿真软件FEKO对目标进行几何建模，并将产生的目标几何模型加入粗糙面模型，生成仿真所需的复合模型； (2)采用锥形波作为雷达的入射源，照射该复合模型，利用基尔霍夫近似方法分别获得粗糙面表面和目标表面的等效电流J1和J2,并根据该等效电流与惠更斯原理获得粗糙面和目标对锥形入射波的直接散射场E1和E2 ； (3)在观察点处放置点电流源J6对目标进行照射，利用基尔霍夫近似方法得到点电流源上在目标表面产生的等效电流Je2，并利用惠更斯原理获得目标上的等效电流在粗糙面上产生的感应电场E21 ； (4)利用互易性原理，计算粗糙面到目标的耦合场E3和目标到粗糙面的耦合场E4,再根据粗糙面的直接散射场Ep目标的直接散射场E2、粗糙面到目标的耦合场E3和目标到粗糙面的耦合场E4,获得该复合模型的总散射场Es:
Es = E1+E2+E3+E4 (5)根据总散射场Es和入射场Ei,得到复合模型的单站雷达散射参数σ(0s):
2.根据权利要求1所述的基于互易性原理的粗糙面与目标复合电磁散射仿真方法，其中步骤(1)所述的根据地面或海面的功率谱密度，通过蒙特卡洛方法产生仿真的粗糙面，按如下步骤进行: (2a)通过实验获得所要仿真地面或海面的粗糙面参数及其功率谱密度，并选取一系列振幅独立的高斯谐波，其中，粗糙面参数包括均方根高度和相关长度； (2b)根据获得的粗糙面参数和功率谱密度，对所选的高斯谐波进行振幅调制，再对调制后的高斯谐波进行傅里叶变换产生仿真的粗糙面。
3.根据权利要求1所述的基于互易性原理的粗糙面与目标复合电磁散射仿真方法，其中所述步骤(2)中获取粗糙面对锥形入射波的直接散射场E1，按如下步骤进行: (3a)用锥形波作为雷达的入射源对粗糙面进行照射，计算粗糙面上被照区的电流J1:
4.根据权利要求1所述的基于互易性原理的粗糙面与目标复合电磁散射仿真方法，其中所述步骤(2)中获取目标对锥形入射波的直接散射场E2，按如下步骤进行: (4a)用锥形波作为雷达的入射源对目标进行照射，计算目标上被照区的电流J2:
5.根据权利要求1所述的基于互易性原理的粗糙面与目标复合电磁散射仿真方法，其中所述步骤(3)中获取粗糙面上的感应电场E21，具体步骤如下: (5a)在观察点处放置一点电流源Je照射目标，利用惠更斯原理获得点电流源在目标上产生的感应电场艮:
Ee = i ω μ f rJeG( P , P ' ) dS, 其中，ω=2 f为角频率，f为入射波频率，μ为自由空间中的磁导率，
6.根据权利要求1所述的基于互易性原理的粗糙面与目标复合电磁散射仿真方法，其中步骤(4)所述利用互易性原理计算粗糙面到目标的耦合场E3和目标到粗糙面的耦合场E4,按如下公式计算:
【文档编号】G06F17/50GK103593510SQ201310512166
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年10月25日 优先权日:2013年10月25日
【发明者】郭立新, 柴水荣, 王蕊, 徐润汶, 魏仪文 申请人:西安电子科技大学