一种针对超电大尺寸规模目标的近场电磁散射仿真方法与流程

本发明涉及电磁散射技术领域，具体涉及一种针对超电大尺寸规模目标的近场电磁散射仿真方法。

背景技术：

在电磁散射仿真中，人们常使用雷达散射截面(rcs)来表征一个目标物体的电磁散射能力，他对于目标散射特性的分析和识别空中目标具有重要作用，也是反映目标隐身性能的一项重要技术指标，因此对于rcs的仿真就成为雷达目标电磁散射特性分析和雷达目标识别中的一项关键技术。

超电大尺寸规模目标(如：舰船)的雷达远场条件(r>2d²/λ，其中，r表示目标到雷达的距离，d表示目标尺寸，λ表示雷达波波长)通常不易满足。当目标位于雷达波束近区时，目标的散射特性与远场条件下的结果完全不同，远场散射理论不再适用，近场散射研究就显得尤为必要。本发明针对性地提出了解决超电大尺寸规模目标的近场电磁散射仿真方法。目前，市面上现有的rcs仿真软件，几乎全部针对远场目标，为了解决针对实际工程中目标散射问题，开发出目标处于不同散射距离条件下的电磁散射仿真工具尤为必要。

技术实现要素：

本发明提供了解决上述问题的一种针对超电大尺寸规模目标的近场电磁散射仿真方法，本发明填补了目标近场rcs仿真算法领域的空白，特别是近场散射条件下不同面元的电磁仿真处理方式。

本发明通过下述技术方案实现：

一种针对超电大尺寸规模目标的近场电磁散射仿真方法，包括以下步骤：

步骤1，导入stl格式的模型文件，并读取构成雷达目标的每个三角面元的坐标信息和面元法线信息；所述通过三角面元网格的3d建模方式建模获取；

步骤2，输入需要计算的参数；

步骤3，判断面元是否被入射波照亮，并标记被入射波打亮的面元；

步骤4，对每个被标记为照亮的三角面元，计算其表面电流和磁流：

式中，为感应电流密度矢量，为感应磁流密度矢量，为入射面的单位法向量，为对应三角面元的入射电场，为对应三角面元的表面磁场；

步骤5，求解出每个被标记为照亮的三角面元引起的散射场

式中，ω为角频率，μ为磁导率，η为波阻抗，e为自然底数，k为波数，j为虚数单位，δ表示积分区域，rsn为三角形面元中心距散射中心的距离，为三角面元的表面感应电流，为三角面元的表面感应磁流，为三角形面元的散射波矢量，为散射面元点位置矢量，dδ为微分面元。

步骤6，将所有被标记为照亮的三角面元的散射场都求解完毕后，根据矢量叠加原理，将其全部相加，得到总散射场：

步骤7，根据式(4)得到近场情况下雷达目标的rcs值σ0，并输出结果：

式中，rs0表示接收雷达与目标中心之间的距离，ri0表示发射雷达与目标中心之间的距离，e^s0表示散射电场的幅值，eⁱ⁰表示入射电场的幅值，

传统的物理光学法(po)是采用远场近似(far-fieldapproximation)和切平面近似(tangentplaneapproximation)并根据stratton-chu积分方程严格推导出来的，而在近场环境中，远场近似不完全适用，因此我们需要对传统的po方法进行近场修正。

将目标作网格剖分处理后，剖分好的面元尺寸较小，一般为0.2λ～2λ，对每个面元而言，都满足远场条件(r>2d²/λ，其中，r表示目标到雷达的距离，d表示目标尺寸，λ表示雷达波波长)。因此，必须对传统的rcs定义公式作近场修正。在近场环境中，本发明不再将入射波和散射波视为简单的平面波，而将其视作分别按1/ri0和1/rs0衰减的球面波，则对于雷达散射截面rcs，有：

进一步地，所述步骤2中，需要计算的参数包括雷达系统类型、雷达波频率f、入射角θ、方位角发射雷达与目标中心之间的距离rt、接收雷达与目标中心之间的距离rr，以及有海面模型下的蒙特·卡洛仿真次数、目标材料类型和相关电磁参数；所述雷达系统类型包括单站和双站。

进一步地，所述步骤3中，采用射线追踪对面元是否被入射波照亮进行判断，并标记打亮的面元。

进一步地，首先根据设定的雷达波入射角计算出每个面元的入射波方向矢量对应的散射波方向矢量为然后利用射线追踪来判断面元之间的相互遮挡从而确定单个面元是否被照亮；

式中，表示发射雷达的位置矢量，表示接收雷达的位置矢量，表示发射雷达到面元上某点的矢量，表示发射雷达到面元中心点的矢量，表示发射雷达到面元上某点的矢量，表示发射雷达到面元中心点的矢量。

进一步地，所述步骤4中，入射电场模值为：

式中，r为所求点到发射雷达的距离，k为波数，e为自然底数，j表示虚数单位，rin表示发射雷达与面元中心之间的距离，rt为发射雷达与目标中心之间的距离，每个面元的入射波方向矢量为面元上某点的位置矢量。

进一步地，所述步骤5中，表面磁场为

式中，η为波阻抗，为每个面元的入射波方向矢量，为入射电场。

本发明具有如下的优点和有益效果：

本发明提供了一种针对超电大尺寸规模目标近场电磁散射仿真方法，是一种基于面元多散射中心模型的高频段雷达目标rcs快速求解方法，目的在于填补目标近场rcs仿真算法领域的空白，特别是近场散射条件下不同面元的电磁仿真处理方式。本发明不仅适用于单站散射(即收发合置型雷达)，也同样适用于双站散射情况(即：发射雷达与接收雷达处于不同的位置)，其目的在于更切合于实际工程场景。

本发明实现了近场目标的高精度快速电磁散射仿真。本发明采用基于三角面元网格的3d建模方式，并导出为通用的stl(stereolithography)格式的3d模型存储文件进行rcs仿真，该格式的文件具有通用性，主流建模软件均可生成，无需手动编写模型描述文件，大大减轻了建模的复杂度，简化了建模过程；同时直接提取文件中法线信息加入计算，避免了复杂的手动求解面元法线过程；采用图形处理单元(graphicsprocessingunit，gpu)并行计算进行加速，相比于传统的cpu计算，本发明采用gpu程序编程并执行并行命令，大大节省了计算所需的时间，加快了仿真速度，提高了仿真效率。最后在仿真中采用了射线追踪(raytracing，rt)对面元进行快速照亮判断，实现了对雷达目标模型的rcs快速求解。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1是本发明原理示意图；图中，表示面元上某点的位置矢量，表示面元中心点的位置矢量，表示发射雷达的位置矢量，表示接收雷达的位置矢量，表示发射雷达到面元上某点的矢量，表示发射雷达到面元中心点的矢量，表示接收雷达到面元上某点的矢量，表示接收雷达到面元中心点的矢量；

图2是本发明射线追踪原理示意图；图中，表示发射雷达到面元上某点的矢量，表示入射波的单位方向矢量；表示接收雷达到面元上某点的矢量，表示反射波的单位方向矢量；

图3是本发明仿真方法的流程图；

图4是本发明方法实施例的仿真模型图；

图5是发明方法实施例模型在设定的近场条件下散射结果与远场散射结果对比图。图中，

m-目标，r.1-发射雷达，r.2接收雷达，a和b表示两个部分重叠的面元。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

本实施例提供一种针对超电大尺寸规模目标的近场电磁散射仿真方法，具体步骤如下：

步骤1，采用基于三角面元网格的3d建模方式建模，并导出为通用的stl(stereolithography)格式的模型件备用。

步骤2，将上述stl格式的模型文件导入图形处理单元(graphicsprocessingunit，gpu)进行计算，读取构成雷达目标的每个三角面元的坐标信息和面元法线信息。

步骤3，输入需要计算的参数；需要计算的参数括雷达系统类型、雷达波频率f、入射角θ、方位角发射雷达与目标中心之间的距离rt、接收雷达与目标中心之间的距离rr，以及有海面模型下的蒙特·卡洛(montecarlo，mc)仿真次数、目标材料类型和相关电磁参数；所述雷达系统类型包括单站和双站。

步骤4，利用射线追踪(raytracing，rt)对面元是否能够被入射波照亮进行判断，并标记被入射波打亮的面元：

首先根据设定的雷达波入射角计算出每个面元的入射波方向矢量对应的散射波方向矢量为然后利用射线追踪(rt)来判断面元之间的相互遮挡从而确定单个面元是否被照亮；

式中，表示发射雷达的位置矢量，表示接收雷达的位置矢量，表示发射雷达到面元上某点的矢量，表示发射雷达到面元中心点的矢量，表示发射雷达到面元上某点的矢量，表示发射雷达到面元中心点的矢量。

对每一条射线，首先和目标网格中的每个面元来判断是否可能相交，若可能相交，则求出交点并计算出发射点到交点的距离；在获得所有面元对应的交点到发射点的距离后，求出最短的距离，该最短距离对应的交点才是射线与目标的真正交点。如图2所示，首先单独判断面元a或b是否与射线相交，从图中可知，射线与面元a、b均相交且交点均在面元内部。但由于面元a离发射点更近，射线与面元a的交点才是真正的交点，这是因为射线在面元a处已经因为发生反射而改变传播方向，不可能再与面元b相交。

步骤5，设定入射电场的一个近似表达式：

入射电场模值为：

式中，r为所求点到发射雷达的距离，k为波数，e为自然底数，j表示虚数单位，rin表示发射雷达与面元中心之间的距离，rt为发射雷达与目标中心之间的距离，每个面元的入射波方向矢量为面元上某点的位置矢量。

对每个被标记为照亮的三角面元，根据入射电场计算其表面磁场，所述表面磁场为计算公式为：

式中，η为波阻抗，每个面元的入射波方向矢量为入射电场。

步骤6，对每个被标记为照亮的三角面元，计算其表面电流和磁流：

式中，为感应电流密度矢量，为感应磁流密度矢量，为入射面的单位法向量；为对应三角面元的入射电场，为对应三角面元的表面磁场。

步骤7，求解出每个被标记为照亮的三角面元引起的散射场

式中，ω为角频率，μ为磁导率，η为波阻抗，e为自然底数，k为波数，j为虚数单位，δ表示积分区域，rsn为三角形面元中心距散射中心的距离，j为三角面元的表面感应电流，为三角面元的表面感应磁流，为三角形面元的散射波矢量，为散射面元点位置矢量，dδ为微分面元。

步骤8，将所有被标记为照亮的三角面元的散射场都求解完毕后，根据矢量叠加原理，将其全部相加，得到总散射场：

步骤9，根据式(4)得到近场情况下雷达目标的rcs值σ0，并输出结果，至此，程序执行完毕：

式中，rs0表示接收雷达与目标中心之间的距离，ri0表示发射雷达与目标中心之间的距离，e^s0表示散射电场的幅值，eⁱ⁰表示入射电场的幅值，

实施例2

对实施例1提供的仿真方法进行测试：如图4提供了一个货运船模型，其包围盒长135m，宽16m，高25m，并对其进行如下仿真测试：工作模式为300mhz的单站雷达，入射角范围45°～90°，方位角范围0～360°，雷达到目标中心距离分别为r＝1km(仿真结果标注为rcs-1km)和r＝10km(仿真结果标注为rcs-10km)。

对比案例：雷达到目标中心距离分别为r＝1km和r＝10km，采用常规的远场散射仿真测试，远场仿真散射结果标注为rcs-ff。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。