專利名稱：多個不共軸旋轉(zhuǎn)對稱體電磁散射特性的仿真方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及電磁仿真技術(shù)領域，特別是一種多個不共軸旋轉(zhuǎn)對稱體的電磁散射特性的仿真方法。
背景技術(shù)：
旋轉(zhuǎn)對稱體是指繞一軸線旋轉(zhuǎn)對稱的三維目標，是一種常見的雷達目標，如各種多彈頭問題，導彈群問題等，被廣泛的關(guān)注和研究。旋轉(zhuǎn)對稱體矩量法可以高效的分析各類旋轉(zhuǎn)對稱體的電磁散射，相比于傳統(tǒng)的基于RWG基函數(shù)剖分建模的分析方法內(nèi)存消耗和計算時間都要少很多。旋轉(zhuǎn)對稱矩量法由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.) 文中將入射平面波利用傅立葉級數(shù)展開為相互正交的柱面波形式，利用各模式間的正交性，分別求解單一模式下的感應電流，然后進行線性疊加求得散射場的分布。旋轉(zhuǎn)對稱體矩量法實際上是將原三維問題降成了兩維半維問題，從而大大降低的計算復雜度。然而，對于多個旋轉(zhuǎn)對稱體群的散射問題，我們無法直接在一個坐標系中建立旋轉(zhuǎn)對稱體群中所有旋轉(zhuǎn)對稱體的母線且保持它們共軸，除非它們本來就公用一條旋轉(zhuǎn)對稱軸。因此直接使用傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)對稱體矩量法不能對多個不共軸的旋轉(zhuǎn)對稱體實現(xiàn)降維，因而無法發(fā)揮高效性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種仿真速度快、內(nèi)存消耗低、精度高的多個旋轉(zhuǎn)對稱體電磁散射特性的仿真方 法。實現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種多個不共軸旋轉(zhuǎn)對稱體電磁散射特性的仿真方法，所述多個不共軸旋轉(zhuǎn)對稱體包括至少兩個不共軸旋轉(zhuǎn)對稱體，步驟如下:第I步，建立模型和局部直角坐標系:分別建立各個旋轉(zhuǎn)對稱體的第一局部直角坐標系，并建立各個旋轉(zhuǎn)對稱體的等效球面，然后建立各個等效球面的第二局部直角坐標系；選擇其中一個旋轉(zhuǎn)對稱體的第二局部直角坐標系為全局坐標系；確定各個第二局部直角坐標系原點在全局坐標系下的坐標，以還原各個旋轉(zhuǎn)對稱體的實際空間位置；第2步，以平面波為激勵源，確定激勵向量:在每個旋轉(zhuǎn)對稱體的第二局部直角坐標系下，得到等效球面上等效入射電磁流即激勵向量，每個模式的激勵向量乘以相位因子，還原各個等效球面的實際入射電磁流；第3步，分別建立各個旋轉(zhuǎn)對稱體的第一局部坐標系下的散射矩陣:散射矩陣描述等效球面上的外界等效入射電磁流經(jīng)過內(nèi)部旋轉(zhuǎn)對稱體作用后在等效球面上產(chǎn)生的等效散射電磁流之間的關(guān)系；第4步，為每兩個場等效球面、源等效球面建立第三局部直角坐標系，在相應的第三局部直角坐標系下確定該場等效球面、源等效球面之間的傳輸矩陣；第5步，建立第一局部直角坐標系、第二局部直角坐標系、第三局部直角坐標系之間的關(guān)系，確定各個局部直角坐標系之間的旋轉(zhuǎn)矩陣；第6步，根據(jù)第2步 第5步的信息建立求解方程組，使用迭代法得到各個等效球面上的等效電磁流；第7步，由第6步中等效球面上的等效電磁流確定遠區(qū)的散射場，得到雷達散射截面積。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比其顯著效果是:(1)仿真速度快和內(nèi)存消耗低，適合電大尺寸的旋轉(zhuǎn)對稱體群的電磁散射問題的仿真分析；(2)建模方便，存儲的信息少，分析不受各個目標相互之間距離和目標本身姿態(tài)的限制；(3)理論可靠，易于實現(xiàn)，對不共軸旋轉(zhuǎn)對稱體的電磁散射特性的仿真與設計有重要的意義。


圖1是本發(fā)明多個旋轉(zhuǎn)對稱體的模型結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明旋轉(zhuǎn)對稱體在第一局部直角坐標系下的母線和等效球面的母線。
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圖3是本發(fā)明第一局部直角坐標系和第二局部直角坐標系之間的關(guān)系。圖4本發(fā)明各個局部坐標系之間的位置關(guān)系及空間平移變量的設置。圖5本發(fā)明三角基函數(shù)示意圖。圖6是本發(fā)明傳輸矩陣作用示意圖。圖7本發(fā)明實施例1中多個旋轉(zhuǎn)對稱體彈頭模型示意圖。圖8本發(fā)明實施例1中雙站雷達散射截面積。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖，以一個轉(zhuǎn)對稱體群的電磁散射問題的仿真分析為例(如圖1所示)，對實現(xiàn)本發(fā)明的具體步驟作進一步闡述:第I步，建立模型和局部直角坐標系:分別建立各個旋轉(zhuǎn)對稱體的第一局部直角坐標系，并建立各個旋轉(zhuǎn)對稱體的等效球面，然后建立各個等效球面的第二局部直角坐標系；在各個第一局部直角坐標系中均建立相應旋轉(zhuǎn)對稱體的母線以及相應等效球面的第一母線，在各個第二局部直角坐標系中均建立相應等效球面的第二母線；選擇其中一個旋轉(zhuǎn)對稱體的第二局部直角坐標系為全局坐標系；設置第二局部直角坐標系原點在全局坐標系下的坐標，以還原各個旋轉(zhuǎn)對稱體的實際空間位置；我們按照以下方案建立旋轉(zhuǎn)對稱體群中的各個不同的旋轉(zhuǎn)對稱體的母線:(1.1)以每個旋轉(zhuǎn)對稱體的軸線線段的中點為原點、軸線方向為坐標系的ζ軸方向，建立與各個旋轉(zhuǎn)對稱體一一對應的第一局部直角坐標系X’ y’z’，如圖1中的各個旋轉(zhuǎn)對稱體上建立的X’ I，ζ坐標系；(1.2)以各個第一局部直角坐標系X’y’ζ’的原點為圓心,建立相應旋轉(zhuǎn)對稱體的等效球面，各個等效球面均完全包圍對應的旋轉(zhuǎn)對稱體；以實際空間中的垂直方向為ζ軸方向，分別建立與各個第一局部直角坐標系共原點的第二局部直角坐標系xyz，且所有的第二局部直角坐標系的X軸、y軸、Z軸分別相互平行；若旋轉(zhuǎn)對稱體在實際空間中軸線方向為垂直向上，那么第一局部直角坐標系和對應的第二局部直角坐標系重合，第一局部直角坐標系和第二局部直角坐標系之間的關(guān)系如圖3所示；選擇其中一個旋轉(zhuǎn)對稱體的第二局部直角坐標系為全局坐標系；(1.3)在各X’ oz’平面內(nèi)建立相應旋轉(zhuǎn)對稱體的母線及完全包圍該旋轉(zhuǎn)對稱體的等效球面的第一母線，如圖2所示；在各xoz平面內(nèi)建立相應等效球面的第二母線；(1.4)設置第二局部直角坐標系原點在全局坐標系下的坐標，以還原各個旋轉(zhuǎn)對稱體的實際空間位置。如圖4所示。第2步，以平面波為激勵源，確定激勵向量。根據(jù)等效原理，空間中源產(chǎn)生的場可以由一個包圍源的閉合面上的等效電磁流表示。通過建立等效球面，無需得到每個旋轉(zhuǎn)對稱體表面的入射場，而只需要確定等效球面上等效入射電磁流作為激勵向量。平面波的表
達式為
權(quán)利要求
1.一種多個不共軸旋轉(zhuǎn)對稱體電磁散射特性的仿真方法，所述多個不共軸旋轉(zhuǎn)對稱體包括至少兩個不共軸旋轉(zhuǎn)對稱體，其特征在于，步驟如下: 第I步，建立模型和局部直角坐標系:分別建立各個旋轉(zhuǎn)對稱體的第一局部直角坐標系，并建立各個旋轉(zhuǎn)對稱體的等效球面，然后建立各個等效球面的第二局部直角坐標系；選擇其中一個旋轉(zhuǎn)對稱體的第二局部直角坐標系為全局坐標系；確定各個第二局部直角坐標系原點在全局坐標系下的坐標，以還原各個旋轉(zhuǎn)對稱體的實際空間位置； 第2步，以平面波為激勵源，確定激勵向量:在每個旋轉(zhuǎn)對稱體的第二局部直角坐標系下，得到等效球面上等效入射電磁流即激勵向量，每個模式的激勵向量乘以相位因子，還原各個等效球面的實際入射電磁流； 第3步，分別建立各個旋轉(zhuǎn)對稱體的第一局部坐標系下的散射矩陣:散射矩陣描述等效球面上的外界等效入射電磁流經(jīng)過內(nèi)部旋轉(zhuǎn)對稱體作用后在等效球面上產(chǎn)生的等效散射電磁流之間的關(guān)系； 第4步，為每兩個場等效球面、源等效球面建立第三局部直角坐標系，在相應的第三局部直角坐標系下確定該場等效球面、源等效球面之間的傳輸矩陣； 第5步，建立第一局部直角坐標系、第二局部直角坐標系、第三局部直角坐標系之間的關(guān)系，確定各個局部直角坐標系之間的旋轉(zhuǎn)矩陣； 第6步，根據(jù)第2步 第5步的信息建立求解方程組，使用迭代法得到各個等效球面上的等效電磁流； 第7步，由第6步中等效球面上的等效電磁流確定遠區(qū)的散射場，得到雷達散射截面積。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多個不共軸旋轉(zhuǎn)對稱體電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標系的具體過程如下: (1.1)以每個旋轉(zhuǎn)對稱體的軸線線段的中點為原點、軸線方向為坐標系的z’軸方向，建立與各個旋轉(zhuǎn)對稱體一一對應的第一局部直角坐標系X’ z’ ； (1.2)以第一局部直角坐標系x’y’z’的原點為圓心，建立相應旋轉(zhuǎn)對稱體的等效球面，各個等效球面均完全包圍對應的旋轉(zhuǎn)對稱體；以實際空間中的垂直方向為z軸方向，分別建立與各第一局部直角坐標系共原點的第二局部直角坐標系xyz，且所有的第二局部直角坐標系的X軸、y軸、z軸分別相互平行；選擇其中一個旋轉(zhuǎn)對稱體的第二局部直角坐標系為全局坐標系； (1.3)在每個第一局部直角坐標系的X’ oz’平面內(nèi)建立相應旋轉(zhuǎn)對稱體的母線及完全包圍該旋轉(zhuǎn)對稱體的等效球面的第一母線，在每個第二坐標系的xoz平面均建立相應等效球面的第二母線； (1.4)設置第二局部直角坐標系原點在全局坐標系下的坐標，以還原各個旋轉(zhuǎn)對稱體的實際空間位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多個不共軸旋轉(zhuǎn)對稱體電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為,其中kx、ky、kz分別為平面波矢量在第二局部直角坐標系的X軸、y軸、z軸坐標分量，(xt, yt, zt)為第二局部直角坐標系原點在全局坐標系下的坐標。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多個不共軸旋轉(zhuǎn)對稱體電磁散射特性的仿真方法，其特征在于，第4步中所述傳輸矩陣的具體構(gòu)建過程如下: (4.1)為每兩個場、源等效球面建立第三局部直角坐標系:以場等效球面的球心為坐標原點，源等效球面球心和場等效球面球心之間的連線為z’’軸，z’’軸方向指向源等效球面；在X’ ’ oz’ ’平面內(nèi)建立場等效球面和源等效球面的母線； (4.2)在每兩個等效球面對應的第三局部直角坐標系下確定該兩個等效球面之間的傳輸矩陣THH，公式如下:
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多個不共軸旋轉(zhuǎn)對稱體電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標系、第二局部直角坐標系、第三局部直角坐標系之間的關(guān)系，具體如下: (5.1)確定由第二局部直角坐標系到第一局部直角坐標系的旋轉(zhuǎn)矩陣 在第一局部直角坐標系的ζ’軸上任取一點G為旋轉(zhuǎn)參考點,G點在第二局部直角坐標系中的坐標為(xQ，yQ，zQ)，則:
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多個不共軸旋轉(zhuǎn)對稱體電磁散射特性的仿真方法，步驟如下建立每個旋轉(zhuǎn)對稱體模型及相應的等效球面，分別在每個旋轉(zhuǎn)對稱體上建立第一、二局部直角坐標系；以平面波為激勵源，確定激勵向量；分別建立各個旋轉(zhuǎn)對稱體的第一局部坐標系下的散射矩陣；為每兩個等效球面建立第三局部直角坐標系，確定該兩個等效球面之間的傳輸矩陣；建立第一、二、三局部直角坐標系之間的旋轉(zhuǎn)矩陣；建立方程組，使用迭代法得到各個等效球面上的等效電磁流；確定遠區(qū)的散射場，得到雷達散射截面積。本發(fā)明對多個旋轉(zhuǎn)對稱體的電磁散射仿真提供了快速高效的解決方案，節(jié)省了空間資源，可以準確、快速的對多個不共軸旋轉(zhuǎn)對稱體的電磁散射特性進行仿真。
文檔編號G01S7/41GK103217675SQ20131015174
公開日2013年7月24日 申請日期2013年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月26日
發(fā)明者陳如山, 丁大志, 樊振宏, 蘇婷, 葉曉東 申請人:南京理工大學