专利名称：多个不共轴旋转对称体电磁散射特性的仿真方法
技术领域：
本发明涉及电磁仿真技术领域，特别是一种多个不共轴旋转对称体的电磁散射特性的仿真方法。
背景技术：
旋转对称体是指绕一轴线旋转对称的三维目标，是一种常见的雷达目标，如各种多弹头问题，导弹群问题等，被广泛的关注和研究。旋转对称体矩量法可以高效的分析各类旋转对称体的电磁散射，相比于传统的基于RWG基函数剖分建模的分析方法内存消耗和计算时间都要少很多。旋转对称矩量法由Andreasen，M.G在1965年首先提出(Μ.Andreasen, "Scattering from bodies of revolution, "Antennas andPropagation, IEEE Transactions on, vol.13, pp.303-310, 1965.) 文中将入射平面波利用傅立叶级数展开为相互正交的柱面波形式，利用各模式间的正交性，分别求解单一模式下的感应电流，然后进行线性叠加求得散射场的分布。旋转对称体矩量法实际上是将原三维问题降成了两维半维问题，从而大大降低的计算复杂度。然而，对于多个旋转对称体群的散射问题，我们无法直接在一个坐标系中建立旋转对称体群中所有旋转对称体的母线且保持它们共轴，除非它们本来就公用一条旋转对称轴。因此直接使用传统的旋转对称体矩量法不能对多个不共轴的旋转对称体实现降维，因而无法发挥高效性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种仿真速度快、内存消耗低、精度高的多个旋转对称体电磁散射特性的仿真方 法。实现本发明的技术解决方案是:一种多个不共轴旋转对称体电磁散射特性的仿真方法，所述多个不共轴旋转对称体包括至少两个不共轴旋转对称体，步骤如下:第I步，建立模型和局部直角坐标系:分别建立各个旋转对称体的第一局部直角坐标系，并建立各个旋转对称体的等效球面，然后建立各个等效球面的第二局部直角坐标系；选择其中一个旋转对称体的第二局部直角坐标系为全局坐标系；确定各个第二局部直角坐标系原点在全局坐标系下的坐标，以还原各个旋转对称体的实际空间位置；第2步，以平面波为激励源，确定激励向量:在每个旋转对称体的第二局部直角坐标系下，得到等效球面上等效入射电磁流即激励向量，每个模式的激励向量乘以相位因子，还原各个等效球面的实际入射电磁流；第3步，分别建立各个旋转对称体的第一局部坐标系下的散射矩阵:散射矩阵描述等效球面上的外界等效入射电磁流经过内部旋转对称体作用后在等效球面上产生的等效散射电磁流之间的关系；第4步，为每两个场等效球面、源等效球面建立第三局部直角坐标系，在相应的第三局部直角坐标系下确定该场等效球面、源等效球面之间的传输矩阵；第5步，建立第一局部直角坐标系、第二局部直角坐标系、第三局部直角坐标系之间的关系，确定各个局部直角坐标系之间的旋转矩阵；第6步，根据第2步 第5步的信息建立求解方程组，使用迭代法得到各个等效球面上的等效电磁流；第7步，由第6步中等效球面上的等效电磁流确定远区的散射场，得到雷达散射截面积。本发明与现有技术相比其显著效果是:(1)仿真速度快和内存消耗低，适合电大尺寸的旋转对称体群的电磁散射问题的仿真分析；(2)建模方便，存储的信息少，分析不受各个目标相互之间距离和目标本身姿态的限制；(3)理论可靠，易于实现，对不共轴旋转对称体的电磁散射特性的仿真与设计有重要的意义。
图1是本发明多个旋转对称体的模型结构示意图。图2是本发明旋转对称体在第一局部直角坐标系下的母线和等效球面的母线。
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图3是本发明第一局部直角坐标系和第二局部直角坐标系之间的关系。图4本发明各个局部坐标系之间的位置关系及空间平移变量的设置。图5本发明三角基函数示意图。图6是本发明传输矩阵作用示意图。图7本发明实施例1中多个旋转对称体弹头模型示意图。图8本发明实施例1中双站雷达散射截面积。
具体实施例方式下面结合附图，以一个转对称体群的电磁散射问题的仿真分析为例(如图1所示)，对实现本发明的具体步骤作进一步阐述:第I步，建立模型和局部直角坐标系:分别建立各个旋转对称体的第一局部直角坐标系，并建立各个旋转对称体的等效球面，然后建立各个等效球面的第二局部直角坐标系；在各个第一局部直角坐标系中均建立相应旋转对称体的母线以及相应等效球面的第一母线，在各个第二局部直角坐标系中均建立相应等效球面的第二母线；选择其中一个旋转对称体的第二局部直角坐标系为全局坐标系；设置第二局部直角坐标系原点在全局坐标系下的坐标，以还原各个旋转对称体的实际空间位置；我们按照以下方案建立旋转对称体群中的各个不同的旋转对称体的母线:(1.1)以每个旋转对称体的轴线线段的中点为原点、轴线方向为坐标系的ζ轴方向，建立与各个旋转对称体一一对应的第一局部直角坐标系X’ y’z’，如图1中的各个旋转对称体上建立的X’ I，ζ坐标系；(1.2)以各个第一局部直角坐标系X’y’ζ’的原点为圆心,建立相应旋转对称体的等效球面，各个等效球面均完全包围对应的旋转对称体；以实际空间中的垂直方向为ζ轴方向，分别建立与各个第一局部直角坐标系共原点的第二局部直角坐标系xyz，且所有的第二局部直角坐标系的X轴、y轴、Z轴分别相互平行；若旋转对称体在实际空间中轴线方向为垂直向上，那么第一局部直角坐标系和对应的第二局部直角坐标系重合，第一局部直角坐标系和第二局部直角坐标系之间的关系如图3所示；选择其中一个旋转对称体的第二局部直角坐标系为全局坐标系；(1.3)在各X’ oz’平面内建立相应旋转对称体的母线及完全包围该旋转对称体的等效球面的第一母线，如图2所示；在各xoz平面内建立相应等效球面的第二母线；(1.4)设置第二局部直角坐标系原点在全局坐标系下的坐标，以还原各个旋转对称体的实际空间位置。如图4所示。第2步，以平面波为激励源，确定激励向量。根据等效原理，空间中源产生的场可以由一个包围源的闭合面上的等效电磁流表示。通过建立等效球面，无需得到每个旋转对称体表面的入射场，而只需要确定等效球面上等效入射电磁流作为激励向量。平面波的表
达式为
权利要求
1.一种多个不共轴旋转对称体电磁散射特性的仿真方法，所述多个不共轴旋转对称体包括至少两个不共轴旋转对称体，其特征在于，步骤如下: 第I步，建立模型和局部直角坐标系:分别建立各个旋转对称体的第一局部直角坐标系，并建立各个旋转对称体的等效球面，然后建立各个等效球面的第二局部直角坐标系；选择其中一个旋转对称体的第二局部直角坐标系为全局坐标系；确定各个第二局部直角坐标系原点在全局坐标系下的坐标，以还原各个旋转对称体的实际空间位置； 第2步，以平面波为激励源，确定激励向量:在每个旋转对称体的第二局部直角坐标系下，得到等效球面上等效入射电磁流即激励向量，每个模式的激励向量乘以相位因子，还原各个等效球面的实际入射电磁流； 第3步，分别建立各个旋转对称体的第一局部坐标系下的散射矩阵:散射矩阵描述等效球面上的外界等效入射电磁流经过内部旋转对称体作用后在等效球面上产生的等效散射电磁流之间的关系； 第4步，为每两个场等效球面、源等效球面建立第三局部直角坐标系，在相应的第三局部直角坐标系下确定该场等效球面、源等效球面之间的传输矩阵； 第5步，建立第一局部直角坐标系、第二局部直角坐标系、第三局部直角坐标系之间的关系，确定各个局部直角坐标系之间的旋转矩阵； 第6步，根据第2步 第5步的信息建立求解方程组，使用迭代法得到各个等效球面上的等效电磁流； 第7步，由第6步中等效球面上的等效电磁流确定远区的散射场，得到雷达散射截面积。
2.根据权利要求1所述的多个不共轴旋转对称体电磁散射特性的仿真方法，其特征在于，第I步中所述建立模型和局部直角坐标系的具体过程如下: (1.1)以每个旋转对称体的轴线线段的中点为原点、轴线方向为坐标系的z’轴方向，建立与各个旋转对称体一一对应的第一局部直角坐标系X’ z’ ； (1.2)以第一局部直角坐标系x’y’z’的原点为圆心，建立相应旋转对称体的等效球面，各个等效球面均完全包围对应的旋转对称体；以实际空间中的垂直方向为z轴方向，分别建立与各第一局部直角坐标系共原点的第二局部直角坐标系xyz，且所有的第二局部直角坐标系的X轴、y轴、z轴分别相互平行；选择其中一个旋转对称体的第二局部直角坐标系为全局坐标系； (1.3)在每个第一局部直角坐标系的X’ oz’平面内建立相应旋转对称体的母线及完全包围该旋转对称体的等效球面的第一母线，在每个第二坐标系的xoz平面均建立相应等效球面的第二母线； (1.4)设置第二局部直角坐标系原点在全局坐标系下的坐标，以还原各个旋转对称体的实际空间位置。
3.根据权利要求1所述的多个不共轴旋转对称体电磁散射特性的仿真方法，其特征在于，第2步中所述的相位因子为,其中kx、ky、kz分别为平面波矢量在第二局部直角坐标系的X轴、y轴、z轴坐标分量，(xt, yt, zt)为第二局部直角坐标系原点在全局坐标系下的坐标。
4.根据权利要求1所述的多个不共轴旋转对称体电磁散射特性的仿真方法，其特征在于，第4步中所述传输矩阵的具体构建过程如下: (4.1)为每两个场、源等效球面建立第三局部直角坐标系:以场等效球面的球心为坐标原点，源等效球面球心和场等效球面球心之间的连线为z’’轴，z’’轴方向指向源等效球面；在X’ ’ oz’ ’平面内建立场等效球面和源等效球面的母线； (4.2)在每两个等效球面对应的第三局部直角坐标系下确定该两个等效球面之间的传输矩阵THH，公式如下:
5.根据权利要求1所述的多个不共轴旋转对称体电磁散射特性的仿真方法，其特征在于，第5步所述建立第一局部直角坐标系、第二局部直角坐标系、第三局部直角坐标系之间的关系，具体如下: (5.1)确定由第二局部直角坐标系到第一局部直角坐标系的旋转矩阵 在第一局部直角坐标系的ζ’轴上任取一点G为旋转参考点,G点在第二局部直角坐标系中的坐标为(xQ，yQ，zQ)，则:
全文摘要
本发明公开了一种多个不共轴旋转对称体电磁散射特性的仿真方法，步骤如下建立每个旋转对称体模型及相应的等效球面，分别在每个旋转对称体上建立第一、二局部直角坐标系；以平面波为激励源，确定激励向量；分别建立各个旋转对称体的第一局部坐标系下的散射矩阵；为每两个等效球面建立第三局部直角坐标系，确定该两个等效球面之间的传输矩阵；建立第一、二、三局部直角坐标系之间的旋转矩阵；建立方程组，使用迭代法得到各个等效球面上的等效电磁流；确定远区的散射场，得到雷达散射截面积。本发明对多个旋转对称体的电磁散射仿真提供了快速高效的解决方案，节省了空间资源，可以准确、快速的对多个不共轴旋转对称体的电磁散射特性进行仿真。
文档编号G01S7/41GK103217675SQ20131015174
公开日2013年7月24日 申请日期2013年4月26日 优先权日2013年4月26日
发明者陈如山, 丁大志, 樊振宏, 苏婷, 叶晓东 申请人:南京理工大学