一种快速提取电大尺寸金属腔体目标瞬态散射信号的仿真方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电磁仿真技术领域，特别是一种快速提取电大尺寸金属腔体目标瞬态 散射信号的仿真方法。
【背景技术】
[0002] 由于军事上的需求和现代科学技术的不断发展，针对含腔电大尺寸目标的电磁特 性分析已经成为一个重要的研究内容。腔体结构的散射特性比较复杂，往往不能与含腔目 标合为整体进行计算，而大多军用目标均可视为含腔目标体，而目标体中的腔体部分往往 是一个很强的散射源，因此对其内腔与外表面共同作用的散射结果研究具有重要的意义。
[0003] 频域积分方程方法分析中，目标表面的感应电流是一个复数矢量，即感应电流同 时包含相位和幅度信息，由导体表面的感应电荷所满足的标量亥姆霍兹方程的解以及电流 连续性方程可知，感应电流的相位信息中包含了入射电磁波的相位。利用这一物理特性，将 描述电流线性变化的相位信息设计到感应电流的近似展开表达式中，即用来近似展开感应 电流的基函数是一个复数矢量，并称之为相位基函数；而一般用来近似展开感应电流的都 是实数矢量基函数；表示电流的相位信息可以被设计到任何种类的实数矢量基函数中，从 而构成新的复数基函数，相位基函数。目前国内外已有研究者将相位基函数应用于频域积 分方程分析方法中，文献 I (J. M. Taboada, F. Obelleiro, J. L. Rodriguez, "Incorporation linear-phase progression in RWG basis function，，'Microwave Opt Tchnol. Lett. 44:106-112, 2005)和文献 2 (Gareia-Tuon，J. M. Taboada，F. Obelleiro, and L Landesa， "Efficient asymptotic-phase modeling of the induced currents in the fast multipole method，''Microwave Opt Techno. Lett. 48:1594-1599, 2006)公开了一种 linear-phase RWG(LP-RWG)基函数，即用指数表示的物体表面感应电流相位的线性变化， 并将它与传统的RWG基函数相结合，这些方法可以用来快速分析任意三维导体结构的电磁 散射。金属腔体目标由于自身几何结构的原因，使其具有棱边和强耦合等结构，所以金属腔 体目标的表面电流包含的相位信息不再是单纯的有外部激励所决定，即单纯的行波特性； 它还包含了与自身结构有关的相位信息，即驻波特性。根据金属目标表面电流的这一特性 文献 3 (S. Yan，S. Ren，Z. Nie，S. He，and J. Hu，"Efficient analysis of electromagnetic scattering from electrically large complex objects by using phase-extracted basis functions，，' IEEE Trans. Antennas Propagat. , vol. 54, no. 5, pp. 88-108, 0c t. 2012)公开了一种频域积分方程方法分析中的行驻波基函数，这种基函数由相位基函数 和高阶基函数相结合构成，该种基函数可以同时描述金属腔体表面电流的行波特性和驻波 特性，通过合理考虑金属腔表面电流自身物理特性的原理来增大剖分单元的尺寸。
[0004] 上述文献1~3报道的都是频域中使用相位基函数分析导体目标和金属腔体电磁 散射特性的方法，然而由于谐振现象、高低频成分的存在，不同频率点的计算方法也不同， 导致计算量庞大和复杂性高，并且不能直观的从模拟结果中理解场的相互作用，从而使得 频域方法失去了优势。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种快速提取电大尺寸金属腔体目标瞬态散射信号的仿 真方法，该方法能显著提高仿真效率，具有内存消耗低、仿真时间快的特点。
[0006] 实现本发明目的的技术方案为：一种快速提取电大尺寸金属腔体目标瞬态散射信 号的仿真方法，步骤如下：
[0007] 第1步，建立金属腔目标的几何模型，采用曲面三角形单元对导体目标的表面进 行网格剖分；
[0008] 第2步，根据时域形式的麦克斯韦方程组和电流连续性，确定金属腔目标的时域 积分方程；
[0009] 第3步，采用空间上的高阶叠层散度共形基函数和时间上的空间延迟混合基函 数，对第2步的时域积分方程中的表面感应电流进行展开，得到表面感应电流展开表达式；
[0010] 第4步，将第3步的表面感应电流展开表达式代入第2步的时域积分方程中，然后 对离散形式的时域积分方程分别在时间上采用点测试、在空间上采用Galerkin测试，得到 系统阻抗矩阵方程；
[0011] 第5步，根据第4步中阻抗矩阵元素的表达式，消除奇异性积分，得到阻抗矩阵的 稀疏表达式；
[0012] 第6步，根据第4~5步得到的系统阻抗矩阵方程，求解阻抗矩阵的方程，确定金 属腔目标表面的时域电流分布，根据时域电流分布得到金属腔的宽频带电磁特性参数，完 成仿真过程。
[0013] 本发明与现有技术相比其显著效果是：（1)求解未知量少：空间延迟混合时间基 函数对金属腔体表面真实时域感应电流的描述更加准确，从而允许采用更大尺寸的单元贴 片离散目标表面，例如采用了三角函数形式的空间延迟混合时间基函数，此时单元贴片的 最大剖分尺寸可以达到ο. 4(3/?·ΜΧ，?"χ为入射电磁波的最高频率，这与一般的三角时间基函 数，单元贴片的最大剖分尺寸为0. lc/fmax，相比大大节省了求解所需要的未知量；（2)对金 属腔目标几何结构的适应性好，模型离散拟合更精确：采用曲面三角形单元对仿真对象的 表面进行网格离散，能真实地拟合各种复杂外形的金属腔模型，保证了外形逼近的精确性。
【附图说明】
[0014] 图1(a)是本发明圆柱型金属腔模型，（b)是圆柱型金属腔模型的曲面三角形网格 离散示意图。
[0015] 图2是本发明曲面三角形离散单元的示意图。
[0016] 图3是图2中曲面三角形单元在面积坐标下表示的示意图。
[0017] 图4是本发明圆柱形金属腔的宽带雷达散射截面曲线图。
[0018] 图5是本发明圆柱形金属腔的时域散射场曲线图。
【具体实施方式】
[0019] 下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。
[0020] 本发明为基于空间延迟混合时间基函数的时域积分方程方法，首先根据入射电磁 波的空间延迟量设计一种空间延迟时间基函数，再将空间延迟时间基函数与一般时间基函 数组成空间延迟混合时间基函数，然后将空间延迟混合时间基函数结合高阶叠层散度共形 空间基函数用来近似展开金属腔目标的时域感应电流，并将电流近似展开表达式代入时域 积分方程，对离散后的时域积分方程分别进行时间上的混合测试和空间上的伽辽金测试， 形成矩阵方程，采用基于广义最小余量法的时间步进算法求解系统矩阵方程，得到每个时 刻的感应电流分布，最后利用时域电流分布计算得到金属腔目标的宽频带电磁特性参数。
[0021] 下面结合附图，以图1(a)所示厚度为无限薄，两端开口的金属圆柱腔为例，对本 发明的具体步骤做进一步详细描述。
[0022] 本发明金属腔目标瞬态散射信号的快速提取方法，步骤如下：
[0023] 第1步，建立金属腔目标的几何模型，采用曲面三角形单元对金属腔目标的表面 进行网格剖分，具体过程如下：
[0024] I. 1如图1(a)所示，建立厚度为无限薄且两端开口的圆柱形金属圆柱腔目标的几 何模型，底面半径2. 0m，高5. 0m，利用计算机辅助设计工具ANSYS软件进行几何建模，导体 目标置于介电常数％、导磁率的自由空间中，金属腔目标在外来入射电磁波E im(r，t) 照射下激励起表面感应电流，入射电磁波Eim(r，t)为高斯调制脉冲，其表达式为 ：
[0025]
【主权项】
1. 一种快速提取电大尺寸金属腔体目标瞬态散射信号的仿真方法，其特征在于，步骤 如下： 第1步，建立金属腔体目标的几何模型，采用曲面三角形单元对金属腔目标的表面进 行网格剖分； 第2步，根