一种导体目标宽角度电磁散射特性的快速求解方法

1.本发明涉及电磁数值计算技术领域，具体涉及一种电大尺寸导体目标宽角度电磁散射特性的快速求解方法。


背景技术：

2.目标宽角度电磁散射特性的分析对雷达探测、目标识别等技术发展起着至关重要的作用。计算导体目标雷达散射截面(rcs)，通常建立表面积分方程，采用矩量法(mom)进行求解。然而，当目标电尺寸较大时，矩量法的计算复杂度以及内存需求都会急剧增大。
3.一种基于矩量法的快速算法，特征基函数法(cbfm)，可以有效减少未知数的求解个数，降低计算时间与内存消耗，是分析电大尺寸目标电磁散射特性的一种重要方法。特征基函数法基于区域分块原理，将目标划分为多个较小的子域并为每个子域构造一组特征基函数，最后构造一个可以采用直接法求解的缩减矩阵方程。然而，对于单站rcs的分析，特征基函数的构造依赖于大量的入射平面激励，奇异值分解时间较长，产生的特征基函数数量较大，求解效率依然较低。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种导体目标宽角度电磁散射特性的快速求解方法，以解决上述背景技术中提出的问题。该方法基于特征基函数法，将每个子域的特征模作为特征基函数，加快特征基函数的构造，减少特征基函数的数目，提高目标宽角度电磁散射特性的求解效率。
5.为实现上述目的，本发明的技术方案实现的基本步骤如下：
6.步骤1：依据特征基函数法基本原理，将整个导体目标表面划分成多个较小的子域，并对每个子域进行扩展，然后构建矩阵方程。
7.步骤2：根据导体目标的特征模理论，构建每个子域的广义特征值方程，解出每个子域的特征模。
8.步骤3：依据模式显著性，设置阈值条件，截取符合阈值条件的有效模式。
9.步骤4：将截取后的特征模去除扩展部分，并作为特征基函数用于线性表示目标表面电流信息。
10.步骤5：构建缩减矩阵方程，并解出目标表面电流。
11.步骤6：根据步骤5得到的结果，解出目标单站rcs的值。
12.与现有技术相比，本发明的优势在于：
13.1、由于特征模与激励无关，本发明构建的特征基函数和缩减矩阵对于不同入射角度的激励可以重复使用，保障了目标宽角度电磁散射特性求解的效率。
14.2、本发明采用导体的特征模理论，直接从阻抗矩阵中求解特征基函数。简化了特征基函数的构造程序，并且能够大幅度减少特征基函数的构造时间。
15.3、本发明生成的特征基函数数量显著减少，能够有效减小缩减矩阵的维数，从而
提高缩减矩阵方程的构造和求解效率。
附图说明
16.图1为本发明方法的基本流程图。
17.图2为本发明方法的算例结果示意图。
具体实施方式
18.本发明方法的基本流程示意图如图1所示，下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述：
19.步骤1：首先将目标划分为m个邻接的子域，再将每个子域剖分成ni个单元(i＝1,2,...,m)。然后对每个子域进行扩展，扩展后每个子域的单元数为根据特征基函数法的原理构建矩阵方程：
[0020][0021]
其中z
ii
和z
ij
分别为自阻抗矩阵和互阻抗矩阵，vi为入射的平面波激励，ji表示为相应的系数矩阵。
[0022]
步骤2：根据导体目标的特征模理论，采用已扩展子域的自阻抗矩阵z
ii
构建广义特征值方程：
[0023][0024]
其中，xi和ri分别为z
ii
的虚部和实部，λi为特征值，为特征值λi对应的特征向量即已扩展子域i的特征模。求解此方程，得到λi和
[0025]
步骤3：依据模式显著性设置阈值τ，满足ms≥τ的特征值及其对应的特征模为有效模式。
[0026]
步骤4：将截取后的特征模去除扩展部分，并作为特征基函数用于线性表示目标表面电流信息，子域i上的表面电流信息可以表示为：
[0027][0028]
其中，为特征基函数对应的系数，表示第i个子域的第p个特征基函数。
[0029]
步骤5：将方程(3)带入到方程(1)，依据
[0030][0031][0032]
构建缩减矩阵方程：
[0033][0034]
其中是特征基函数的系数矩阵，为缩减阻抗矩阵，是的转置。求解缩减矩阵方程得到特征基函数的系数，并解出目标表面的电流。
[0035]
步骤6：根据步骤5得到的目标表面电流，解出目标单站rcs的值。
[0036]
下面以一具体实例对本发明方法作进一步说明，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0037]
本发明以计算一个边长1m的导体立方体的单站rcs为例。按照0.1λ的间距剖分目标表面，这里λ是入射平面波的波长。平面波的入射角度为频率为800mhz。目标被划为8个子域，每个子域扩展宽度为0.15λ，共产生了30322个未知数。分别采用本发明方法和传统cbfm求解目标单站rcs，其中，采用本发明方法时，阈值τ取0.0005，采用传统cbfm时，svd阈值取0.001。
[0038]
从附图2中可以看到本发明方法的计算结果与mom、cbfm吻合较好，具有较高的计算精度。表1给出了本发明方法及利用传统cbfm方法的计算时间、特征基函数数量、相对误差。可以看出，在取得几乎相同计算精度的情况下，本发明方法产生的特征基函数数量下降了29％，特征基函数构造时间下降了96％，总计算时间下降了75％。该算例验证了本发明的准确性与高效性。
[0039]
表1
[0040][0041]
综上所述，本发明通过求解每个子域的特征模并作为子域的特征基函数，解决了传统cbfm特征基函数构造效率低的问题，而且产生的特征基函数数量显著减少，提高了缩减矩阵的构建以及求解速度。该发明方法在求解电大尺寸导体目标宽角度电磁散射特性时具有较高的计算效率和精度。
[0042]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。


技术特征：
1.一种导体目标宽角度电磁散射特性的快速求解方法，其特征在于，步骤如下：步骤1：依据特征基函数法基本原理，将整个导体目标表面划分成多个较小的子域，并对每个子域进行扩展，然后构建矩阵方程。步骤2：根据导体目标的特征模理论，构建每个子域的广义特征值方程，解出每个子域的特征模。步骤3：依据模式显著性，设置阈值条件，截取符合阈值条件的有效模式。步骤4：将截取后的特征模去除扩展部分，并作为特征基函数用于线性表示目标表面电流信息。步骤5：构建缩减矩阵方程，并解出目标表面电流。步骤6：根据步骤5得到的结果，解出目标单站rcs的值。2.根据权利要求1所述的一种导体目标宽角度电磁散射特性的快速求解方法，其特征在于，步骤2中，根据导体目标的特征模理论，采用已扩展子域的自阻抗矩阵z
ii
构建广义特征值方程：式中，x
i
和r
i
分别为z
ii
的虚部和实部，λ
i
为特征值，为特征值λ
i
对应的特征向量即已扩展子域i的特征模。3.根据权利要求1所述的一种导体目标宽角度电磁散射特性的快速求解方法，其特征在于，步骤3中，依据模式显著性设置阈值τ，满足ms≥τ的特征值及其对应的特征模为有效模式。4.根据权利要求1所述的一种导体目标宽角度电磁散射特性的快速求解方法，其特征在于，步骤4中，将截取后的特征模去除扩展部分，并作为特征基函数用于线性表示目标表面电流信息，子域i上的表面电流信息可以表示为：其中，为特征基函数对应的系数，表示第i个子域的第p个特征基函数。

技术总结
本发明公开了一种导体目标宽角度电磁散射特性的快速求解方法，涉及电磁数值计算领域，能有效提高特征基函数法求解电大尺寸导体目标宽角度电磁散射特性的速度。首先，根据已扩展子域的自阻抗矩阵构建广义特征值方程并求解各子域的特征模。然后，依据模式显著性截取有效模式并作为特征基函数用于线性表述目标表面电流信息。本发明为特征基函数法构造特征基函数提供了一种新的办法，大幅提升了特征基函数的构造效率，产生的特征基函数数量较少，提高了缩减矩阵方程的构建以及求解速度。提高了缩减矩阵方程的构建以及求解速度。


技术研发人员：高亚兰 姜飞 邱慧丽 浮盼盼 王胜 唐家康 李闪闪 李松州 王柯柯
受保护的技术使用者：宿州学院
技术研发日：2022.03.04
技术公布日：2022/7/12