一种基于量化误差的RCS仿真电磁算法选择的方法与流程

本发明属于目标电磁散射(rcs)特性计算机仿真，具体涉及一种基于量化误差的rcs仿真电磁算法选择的方法。

背景技术：

1、在雷达性能研究中，目标电磁散射特性数据(rcs)必不可少，模拟仿真计算是rcs数据的主要来源之一。现有用于探测、跟踪和识别目标的雷达波段覆盖范围很广，目标的电尺寸横跨了电小、电中、电大以及超电大等层级。由于 rcs计算精度、资源耗费对电尺寸敏感，因此针对不同尺寸、不同频率的目标rcs计算，必须选择合适的电磁算法。

2、目前大量的电磁算法可归结为解析法、数值法和高频法三大类。解析法作为计算电磁学中最为古老的方法，可以求得麦克斯韦方程组的严格解析解，但由于解析解只存在于某些简单的理想规则目标体，在实际应用中针对复杂边界条件时受到很大限制；数值法，也叫全波法或全波数值法，基于对麦克斯韦方程积分或者微分形式的离散，没有作任何物理意义上近似，可以认为具有与解析法可比拟的精度，但突破了解析法复杂边界的限制，在任意结构电磁计算中得到了广泛应用，缺点是随着频率升高，计算量随指数剧增，对硬件资源需求亦随之剧增；高频法出现于计算机问世的初始阶段，是一种近似方法，模拟的是电磁场在高频时的局部特性，只有在目标尺寸远大于入射波长时才能获得可以接受的精度，优点是计算量大幅降低。

3、通常，在低频段，考虑到散射主要以体散射、爬行波、尖顶绕射和部件间耦合为主，以采用数值方法为主，精度高，计算量可接受；在高频段，由于数值法计算量过于庞大，同时考虑镜面反射、边缘绕射、凹形区域散射是典型的强散射源，主要采用高频方法近似，在保证一定计算精度的同时兼顾较高的计算效率。目前，目标rcs特性研究工程师在仿真中选择电磁算法的主要依据还是自身的背景知识和专业经验。

4、依靠电磁仿真工程师背景知识选择电磁算法，一是主观性大，对算法带来的仿真误差不能精确预估；二是对非电磁专业的工程师，选择难度较大。

5、综上所述，现有的依靠电磁计算工程师自身专业经验、知识背景和误差期望等进行rcs仿真算法选择的基本共识仅为“低频段选用数值法，高频段选择高频法”，存在主观性大、对背景知识要求高、无量化误差依据等不足。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种目标rcs仿真计算中精准选择电磁算法的方法，它能够解决仿真计算精度与时间、硬件资源消耗之间的矛盾，为目标rcs仿真按需精准选择计算方法提供依据。

2、本发明的技术方案如下：一种基于量化误差的rcs仿真电磁算法选择的方法，主要包括以下步骤：

3、步骤1：建立典型结构模型；

4、步骤2：设定不同电尺寸对应的频点；

5、步骤3：利用数值法、高频法分别开展rcs仿真计算；

6、步骤4：利用特征选择验证技术(fsv)评估算法误差；

7、步骤5：拟合误差、计算耗时与频率的关系；

8、步骤6：给出rcs仿真中电磁算法选择准则。

9、所述的步骤1为建立包含锥、柱和翼三种子结构的三维模型。

10、所述的步骤2为计算频点在用户关注频段采样，所述的用户关注频段为p-x 波段，设定频点分别为0.45、1、1.5、3、6、10ghz，对应电尺寸分别为7.5λ、 16.7λ、25λ、50λ、100λ和166.7λ。

11、所述的步骤3为选择“快速多机子法”作为典型数值法，选择“弹跳射线法”作为典型高频法，分别对步骤1的结构开展rcs计算；

12、角度设置：方位角phi＝0°，俯仰角theta＝0°-180°，步进1°；

13、频率设置：步骤2设定的6个频点。

14、所述的步骤4为以数值法计算结果作为该结构rcs的精确解，以此为基准，采用基于特征选择验证(fsv)技术对高频法的计算误差进行量化。

15、所述的步骤4包括如下步骤：

16、步骤41：数据预处理；

17、步骤42：傅里叶变换及高低频“断点”求取；

18、将待评估的两组数据做离散傅里叶变换，以便通过滤波器将数据分解为直流、低频和高频三个分量，基于这三部分数据进行处理，获取特征要素，定义频谱最低的4个频点(傅里叶变换后的前4个数据点)为直流分量，高低频的分界点以信号总能量的40％确定，

19、

20、

21、ibp＝i40％+5   (3)

22、式(1)-(3)中，twds(i)是变换后第i个频点的频谱值；s是除直流分量外剩余频点的频谱值之和；n是频点个数；i40％是由第5个频点累加到s的40％时对应的频点；ibp即“断点”，是低频、高频数据分界点的序号；

23、步骤43：数据滤波

24、步骤44：幅度差异度量(adm)计算

25、幅度差异度量由直流和低频分量数据计算得到，计算公式如下：

26、

27、其中：

28、α＝(|lo1(n)|-|lo2(n)|)

29、

30、γ＝(|dc1(n)|-|dc2(n)|)

31、

32、lo1、lo2，dc1、dc2分别为待评估两组数据经离散傅里叶变换后的低频分量和直流分量，

33、步骤45：特征差异度量(fdm)计算

34、特征差异度量衡量数据之间的“特征”差异，通过对低频和高频分量的运算来反映，其中，fdm1由低频分量的一阶导数计算，反映数据缓变趋势的差异；分指标fdm2使用高频分量的一阶导数计算，反映数据瞬变趋势的差异；分指标 fdm3使用高频分量的二阶导数计算，反映数据瞬变速度的差异，具体计算公式如下：

35、

36、

37、

38、fdm(f)＝2(|fdm1(f)+fdm2(f)+fdm3(f)|)   (8)

39、lo1′、lo2′，hi1′、hi2′，hi1″、hi2″分别为待评估两组数据经离散傅里叶变换后的低频分量一阶导数、高频分量一阶导数及二阶导数；

40、步骤46：全局差异度量(gdm)计算

41、由adm和fdm合成全局差异度量gdm，计算公式如下：

42、

43、步骤47：建立误差定量与定性对照

44、分别计算adm、fdm和gdm的均值，对照fsv给出的解释标准，给出在6个频点分别采用高频法的误差，同时列出两种算法计算耗时对照。

45、所述的步骤5为采用三次样条插值方法，借助matlab计算机数学工具，开展数据拟合，得到计算误差(即adm、fdm和gdm均值)、计算耗时两项关键指标与电尺寸之间的关系，并绘制曲线。

46、所述的步骤6为关于计算误差，当电尺寸小于30λ时，采用数值法方能保证计算精度；当电尺寸超过30λ时，采用高频法替代能获得“小”、“很小”和“极小”级别的误差。

47、本发明的有益效果在于：本发明提出的电磁计算方法选择准则，针对典型目标，事先根据关注的电尺寸，离散频率采样点，逐点开展高精度和低精度仿真；并采用“计算电磁学计算机建模与仿真验证标准(ieee1597.1)”中明确的特征选择验证(fsv)技术，逐点评估算法误差，拟合形成误差随频率(即电尺寸)变化的关系并绘制图表，用户在面对同类目标rcs仿真中的电磁算法选择问题，只需根据误差需求，结合计算资源条件和时间要求，通过查图表即可确定高频法的替代时机。与现有电磁算选择准则相比，本发明给出的基于准确量化误差的选择准则，可操作强，消除了方法选择时的不确定性，摆脱了对背景知识和专业经验的依赖，降低了rcs仿真的门槛。例如，针对长度为12m的目标在3ghz开展rcs计算，根据用户要求计算误差要“很小”，依据本文提出的准则，该目标在该频段电尺寸为120λ，只能选择数值法；当放松对误差要求为“小”时，则可以选用高频法，节省计算时间。