超高速薄涂敷隐身飞行目标的电磁散射分析方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于目标电磁散射特性的快速计算技术领域，特别是一种应用于超高速薄 涂敷隐身飞行目标的电磁散射分析方法。
【背景技术】
[0002] 超高速飞行目标由于具有很快的飞行速度（3马赫以上）以及较高的飞行高度 (20Km以上)，其飞行时与空气摩擦会产生几千摄氏度的气动热，使其周围空气由于电离而 呈离子状态存在。当电离度达到一定程度时，电离气体具有等离子体性质。此时在飞行目 标表面附近的包覆流场通常被称为等离子体包覆流场、再入等离子体或等离子体壳套，此 时相当于飞行目标被等离子体所覆盖(常雨.超声速/高超声速等离子体流场数值模拟及 其电磁特性研究，国防科技大学博士论文，2009)。同时，为了考虑隐身的目的，通常会在飞 行器表面涂敷隐身材料，起到减小雷达散射截面的作用而达到隐身目的。
[0003] 由于空气被电离形成的等离子体相对介电常数的不均匀性，并且飞行器表面涂 敷的吸波材料非常薄，这都给使用数值方法分析飞行目标的电磁散射问题带来一定的困 难。通过研究发现，位于飞行器顶端部分的等离子体壳套具有较大的等效相对介电常数， 而离子体壳套其它部分介质介电常数接近空气，这形成了等离子体相对介电参数的不 均匀特性。针对不均匀的等离子体壳套，使用体积分方程方法（Schaubert D, Wilton D and Glisson A. A tetrahedral modeling method for electromagnetic scattering by arbitrarily shaped inhomogeneous dielectric bodies. IEEE Transaction on Antennas and Propagation, 1984, 32 (I) :77 - 85.)进行分析；针对金属本体及其表面的 涂敷结构，金属部分通常被作为理想导电体（PEC)来处理，并且容易被面积分方程方法 (SIE)来分析求解，其中 RWG 基函数（Rao M，Wilton D and Glisson A.Electromagnetic scattering by surfaces of arbitrary shape. IEEE Transaction on Antennas and Propagation，1982, 30(3) :409 - 418.)由于其灵活性通常被被用来作为展开未知电流的基 函数，同时利用涂敷隐身材料薄的特点，将隐身涂敷材料中的体电荷以及体电流转换为金 属表面的感应电流的形式来求解。但是运用以上方法分析超高速薄涂敷隐身飞行目标的电 磁散射问题面临着未知量大的问题，由此带来求解过程中需要大量的计算时间和内存。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种超高速薄涂敷隐身飞行目标的电磁散射分析方法，从 而实现快速得到超高速薄涂敷隐身飞行目标的电磁散射特性参数。
[0005] 实现本发明目的的技术解决方案为：超高速薄涂敷隐身飞行目标的电磁散射分析 方法，步骤如下：
[0006] 第一步，建立高速隐身飞行目标及等离子壳套模型，主要是等离子壳套的电磁参 数模型的确定，其与高速飞行目标的飞行环境有关，如飞行高度、飞行速度以及飞行目标周 围大气压强及温度等。
[0007] 第二步，网格处理。对于金属及其涂敷部分采用三角形剖分，对于等离子壳套部分 采用四面体剖分。
[0008] 第三步，建立混合体面积分方程。根据混合结构的散射特性，目标上的总场等于的 入射场与所有的散射场之和，入射电场为已知激励，均匀平面波通常被用来作为入射电场， 散射电场可以用待求的电通密度和感应电流密度来表示。
[0009] 第四步，将自由空间中格林函数基于加法定理展开，结合体面积分方程的表达式， 给出远场部分的聚合因子，转移因子和配置因子的具体表达形式。
[0010] 第五步，矩阵方程求解以及电磁散射参数的计算。
[0011] 本发明与现有技术相比，其显著优点：1.未知量少。由于薄涂敷内的极化电荷 和电流均用金属本体上的电流来表示，所有不需要额外的未知量描述涂敷内的电磁参数。 2.求解速度快。由于采用了体面积分方程分析超高速飞行目标以及包裹在超高速飞行目标 外面的非均匀等离子，所用格林函数为自由空间的格林函数，方便多层快速多级子技术的 引入，加速矩阵求解。
【附图说明】
[0012] 图1超高速薄涂敷隐身飞行目标电磁模型示意图。
[0013] 图2超高速薄涂敷隐身飞行目标结构示意图。
[0014] 图3超高速薄涂敷隐身飞行目标的雷达散射截面图。
【具体实施方式】
[0015] 下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
[0016] 第一步，建立超高速飞行目标及等离子壳套模型，主要是等离子壳套的电磁参数 模型的确定，其与超高速飞行目标的飞行环境有关，如飞行高度、飞行速度以及飞行目标 周围大气压强及温度等。由飞行目标的飞行高度、攻角和飞行马赫数参数，运用商业软件 ANSYS对目标模型进行气动模拟计算，得到目标的电子数密度，温度，压强信息数据，由此得 到等离子体特征频率以及碰撞频率，再由以下公式得到等离子壳套的等效相对介电常数，
[0017]
【主权项】
1. 一种超高速薄涂敷隐身飞行目标的电磁散射分析方法，其特征在于步骤如下： 第一步，建立超高速薄涂敷隐身飞行目标等离子壳套模型，根据飞行目标的飞行高度、 攻角和飞行马赫数参数，对超高速飞行目标进行气动模拟计算，得到目标的电子数密度、温 度和压强信息数据，由此得到等离子体特征频率以及碰撞频率，再由以下公式得到等离子 壳套各空间位置的等效相对介电常数，
其中ωρε为等离子体特征频率，ω为电磁波频率，V为等离子体碰撞频率； 第二步，根据包裹等离子壳套超高速飞行目标结构的散射特性，采用矩量法基础理论， 得到积分方程，其矩阵方程形式为：
Zdd代表介质对介质的作用，Zdm表示介质对金属及涂敷的作用，Z*3都表示金属及涂敷对 介质的作用，Zm表示金属对金属的作用，Dn和In是待求未知电流系数，< 和vf是右边向量 激励； 第三步，求解矩阵方程（2)，得到电流系数Dn和In，再根据互易定理由电流系数计算电 磁散射参量。
2. 根据权利要求1所述的超高速飞行目标的电磁散射分析方法，其特征在于，步骤2 中，矩阵方程的具体表达形式如下：
其中，和/^分别代表体和面测试基函数，V表示介质区域，S表示金属表面，Vtds表 示薄介质区域，sv表示薄介质下表面，Sa表示薄介质上表面，ω为电磁波角频率，常数系数
自由空间的格林函数； 上式中右边向量是由平面波产生的，写成
Ei是入射电场。
【专利摘要】本发明公开了一种超高速薄涂敷隐身飞行目标的电磁散射分析方法。针对包裹在超高速薄涂敷隐身飞行目标周围等离子体的非均匀特性，采用了体积分方程方法进行分析，隐身飞行目标的金属本体及其涂敷的隐身材料采用基于面积分的薄涂敷分析方法进行建模分析。相对于所有介质部分均采用体积分方程分析的传统方法，本发明中的方法可以节省计算资源，同时由于方程中采用的格林函数为真空中的格林函数，多层快速多级子技术被用来进一步加速求解，使得本发明对于求解超高速薄涂敷隐身飞行目标散射问题需要更少的计算内存以及计算时间。
【IPC分类】G06F17-50
【公开号】CN104657527
【申请号】CN201310593931
【发明人】陈如山, 丁大志, 樊振宏, 陶诗飞
【申请人】南京理工大学
【公开日】2015年5月27日
【申请日】2013年11月21日