一種超電大尺寸的強(qiáng)電磁脈沖環(huán)境時(shí)頻空多維分析模型的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種超電大尺寸的強(qiáng)電磁脈沖環(huán)境時(shí)頻空多維分析模型，它提出一種 采用射線(xiàn)追蹤的電磁脈沖重構(gòu)方法進(jìn)行頻-時(shí)變換，建立目標(biāo)區(qū)域時(shí)頻空多維分析模型， 解決了電磁脈沖武器攻擊下超電大尺寸對(duì)象的電磁環(huán)境分布特性計(jì)算問(wèn)題。
【背景技術(shù)】
[0002] 超電大尺寸對(duì)象上裝備大量電子設(shè)備，當(dāng)面臨電磁脈沖輻射下的復(fù)雜電磁環(huán)境 時(shí)，設(shè)備性能會(huì)降級(jí)甚至造成永久性損壞。同時(shí)，高強(qiáng)度的電磁輻射引起的超電大尺寸對(duì)象 上金屬結(jié)構(gòu)感應(yīng)電流，可能對(duì)人員造成灼傷；同時(shí)會(huì)在金屬結(jié)構(gòu)間產(chǎn)生飛弧，引起燃油自燃 等，電磁脈沖引起的電磁脈沖效應(yīng)問(wèn)題，對(duì)超電大尺寸對(duì)象正常工作造成了潛在威脅。
[0003] 射線(xiàn)追蹤方法是一種被廣泛用于電磁散射中的高頻近似方法，采用場(chǎng)近似的原 理，對(duì)電磁場(chǎng)傳播過(guò)程進(jìn)行等效，用射線(xiàn)方法描述電磁波的傳播特性。對(duì)于電大尺寸目標(biāo)， 基于射線(xiàn)追蹤方法，可將某頻率的電磁波等效成多條射線(xiàn)，仿真得到發(fā)射點(diǎn)到接收點(diǎn)間所 有射線(xiàn)軌跡。獲知到達(dá)接收點(diǎn)的全部射線(xiàn)后，根據(jù)每條射線(xiàn)的場(chǎng)強(qiáng)算出接收點(diǎn)的單一頻率 合成總場(chǎng)。
[0004] 電磁脈沖具有寬頻譜和高能量特性，能通過(guò)線(xiàn)纜、縫隙等耦合到電子系統(tǒng)中，導(dǎo)致 電子系統(tǒng)性能降級(jí)甚至損壞。因此，研宄復(fù)雜電子系統(tǒng)所處的電磁脈沖環(huán)境，對(duì)提高復(fù)雜電 子系統(tǒng)對(duì)電磁脈沖的防護(hù)能力具有重要的意義。電磁脈沖環(huán)境的實(shí)測(cè)具有一定困難性，并 且，由于研宄對(duì)象是幾十米乃至上百米的電大尺寸復(fù)雜目標(biāo)，使用普通商用軟件或全波算 法，只能進(jìn)行低頻情況下的整體電磁環(huán)境模擬，和高頻情況下的局部結(jié)構(gòu)電磁特性分析，無(wú) 法討論高頻情況下的整體電磁脈沖環(huán)境。
[0005] 對(duì)超電大尺寸的強(qiáng)電磁脈沖環(huán)境的研宄，主要分為頻域電場(chǎng)屏蔽效能研宄和時(shí)域 脈沖響應(yīng)研宄。前者關(guān)注超電大尺寸對(duì)電磁脈沖的能量耦合特性；后者考察脈沖輻射下超 電大尺寸脈沖電流響應(yīng)，以及超電大尺寸典型結(jié)構(gòu)作用下的時(shí)域脈沖波形特征。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提出一種超電大尺寸的強(qiáng)電磁脈沖環(huán)境時(shí)頻空多維分析模型，采 用射線(xiàn)追蹤和電磁仿真解決電磁脈沖武器攻擊下超電大尺寸對(duì)象的電磁環(huán)境分布特性計(jì) 算問(wèn)題。
[0006] 本發(fā)明所述的技術(shù)方案是：
[0007] -種超電大尺寸的強(qiáng)電磁脈沖環(huán)境時(shí)頻空多維分析模型，它提出一種采用射線(xiàn)追 蹤的電磁脈沖重構(gòu)方法進(jìn)行頻-時(shí)變換，建立目標(biāo)區(qū)域時(shí)頻空多維分析模型，包括如下步 驟： (1) 通過(guò)相關(guān)建模軟件，建立超電大尺寸對(duì)象的幾何模型，選擇合適的面元剖分方式， 生成相應(yīng)的電磁模型，電磁軟件仿真計(jì)算到達(dá)接收點(diǎn)的所有射線(xiàn)路徑； (2) 提取射線(xiàn)路徑信息，基于射線(xiàn)追蹤方法，計(jì)算接收點(diǎn)各個(gè)頻率的頻域場(chǎng)； (3)通過(guò)傅里葉反變換，得到接收點(diǎn)處時(shí)域電磁脈沖。
[0008] 據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超電大尺寸的強(qiáng)電磁脈沖環(huán)境時(shí)頻空多維分析模型，其 特征是：將入射電磁波等效成射線(xiàn)，每根入射射線(xiàn)能量都設(shè)置為該頻點(diǎn)能量。
[0009] 據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超電大尺寸的強(qiáng)電磁脈沖環(huán)境時(shí)頻空多維分析模型，其 特征是：等效的電磁射線(xiàn)主要包括直射射線(xiàn)，一次反射線(xiàn)及一次繞射線(xiàn)，以及多次繞射與反 射復(fù)合的散射貢獻(xiàn)，例如反射-繞射射線(xiàn)構(gòu)成的場(chǎng)，繞射-繞射射線(xiàn)構(gòu)成的場(chǎng)，主要考慮直 射射線(xiàn)、一次射線(xiàn)和兩次射線(xiàn)，忽略三次及以上的射線(xiàn)。
[0010] 據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超電大尺寸的強(qiáng)電磁脈沖環(huán)境時(shí)頻空多維分析模型，其 特征是：通過(guò)電磁仿真需要對(duì)射線(xiàn)類(lèi)型信息進(jìn)行記錄。同時(shí)，記錄射線(xiàn)追蹤中獲取的幾何信 息，包括：觀(guān)測(cè)點(diǎn)位置，每條射線(xiàn)的反射點(diǎn)或繞射點(diǎn)位置，發(fā)生反射或繞射作用的面元位置 信息。
[0011] 據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超電大尺寸的強(qiáng)電磁脈沖環(huán)境時(shí)頻空多維分析模型，其 特征是：在接收點(diǎn)處的頻域場(chǎng)是對(duì)所有射線(xiàn)進(jìn)行疊加，計(jì)算各個(gè)頻率的合成總場(chǎng)。
【附圖說(shuō)明】
[0012] 圖1為本發(fā)明所述的一種超電大尺寸的強(qiáng)電磁脈沖環(huán)境時(shí)頻空多維分析模型的 射線(xiàn)追蹤算法計(jì)算EMP波形流程圖。
[0013] 圖2為本發(fā)明所述的一種超電大尺寸的強(qiáng)電磁脈沖環(huán)境時(shí)頻空多維分析模型的 反射情況的射線(xiàn)基坐標(biāo)系；
【具體實(shí)施方式】
[0014] 對(duì)于超電大尺寸目標(biāo)，基于射線(xiàn)追蹤方法，可將某頻率的電磁波等效成多條射線(xiàn)， 通過(guò)相關(guān)建模軟件，建立超電大尺寸對(duì)象的幾何模型，將幾何模型導(dǎo)入電磁仿真軟件中，選 擇合適的面元剖分方式，生成相應(yīng)的電磁模型；建立超電大尺寸對(duì)象模型后，需要對(duì)復(fù)雜結(jié) 構(gòu)進(jìn)行精確的電磁建模：采用三角形及四邊形平面片擬合超電大尺寸對(duì)象的表面，將其剖 分成面元網(wǎng)格。同時(shí)，由于面元網(wǎng)格的大小直接影響數(shù)值計(jì)算的效率與精度，建模過(guò)程中， 對(duì)超電大尺寸對(duì)象進(jìn)行了分層剖分，復(fù)雜結(jié)構(gòu)，采用了較小的剖分步長(zhǎng)，確保仿真精度，仿 真得到發(fā)射點(diǎn)到接收點(diǎn)間所有射線(xiàn)軌跡，計(jì)算得到每條射線(xiàn)的路徑。
[0015] 對(duì)于超電大尺寸目標(biāo)來(lái)說(shuō)，接收點(diǎn)處能量由多種射線(xiàn)貢獻(xiàn)而來(lái)。主要包括直射射 線(xiàn)，一次反射線(xiàn)及一次繞射線(xiàn)，以及多次繞射與反射復(fù)合的散射貢獻(xiàn)，例如反射-繞射射線(xiàn) 構(gòu)成的場(chǎng)，繞射-繞射射線(xiàn)構(gòu)成的場(chǎng)，主要考慮直射射線(xiàn)、一次射線(xiàn)和兩次射線(xiàn)，忽略三次 及以上的射線(xiàn)。
[0016] 通過(guò)后處理工作，需要對(duì)射線(xiàn)類(lèi)型信息進(jìn)行記錄。同時(shí)，記錄射線(xiàn)追蹤中獲取的幾 何信息，包括：觀(guān)測(cè)點(diǎn)位置，每條射線(xiàn)的反射點(diǎn)或繞射點(diǎn)位置，發(fā)生反射或繞射作用的面元 位置信息。
[0017] 通過(guò)這些幾何信息，可以獲取后續(xù)場(chǎng)值求解中的各參量，場(chǎng)值求解分為兩部分。
[0018] 一是計(jì)算反射場(chǎng)，當(dāng)射線(xiàn)在復(fù)雜環(huán)境下多次反射時(shí)，可以以入射射線(xiàn)和反射射線(xiàn) 作為坐標(biāo)軸，建立適用于反射情況的反射射線(xiàn)基坐標(biāo)，如圖2所示，采用這種坐標(biāo)系可以簡(jiǎn) 化笛卡爾坐標(biāo)系下路徑和場(chǎng)強(qiáng)的復(fù)雜運(yùn)算。
[0019] 適用于反射情況的射線(xiàn)基坐標(biāo)系，由兩兩垂直的三個(gè)矢量組成，分別為 0、#、h &為入射射線(xiàn)方向的單位矢量，52為反射射線(xiàn)方向的單位矢量，^和52組成 入射平面，及為入射平面內(nèi)和S1相垂直的單位矢量，兔為入射平面內(nèi)和52相垂直的單位矢 量，名和? ?2是和入射平面相垂直的單位矢量。且滿(mǎn)足下列矢量積關(guān)系
[0020] 射線(xiàn)在空間傳播時(shí)，可以分解為沿著?方向的垂直極化分量，以及沿著聲方向的 水平極化分量，但在傳播方向4、?2上沒(méi)有電場(chǎng)分量；因此，笛卡爾坐標(biāo)系下沿著I夕、5 三個(gè)方向的電場(chǎng)，可表示為射線(xiàn)基坐標(biāo)系下沿著?、/)兩個(gè)方向的電場(chǎng)，
[0021] En是免在單位矢量?上的投影，為平面波垂直極化分量，Efi是左在單位矢量/)上 的投影，是平面波水平極化分量，此時(shí)反射系數(shù)為2 X 2的并矢系數(shù)矩陣買(mǎi)，反射電場(chǎng)和入 射電場(chǎng)的關(guān)系
[0022] 云的表達(dá)式如下
[0023] Re為水平極化分量的反射系數(shù)，Rm為垂直極化分量的反射系數(shù)，對(duì)于介質(zhì)材料來(lái) 說(shuō)，&和Rm與介質(zhì)1和介質(zhì)2的相對(duì)介電常數(shù)ε 1和ε 2有關(guān)。
[0014] 二是計(jì)算繞射場(chǎng)，由繞射理論可知，對(duì)于發(fā)生繞射的邊緣結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，其周邊的散射 場(chǎng)是有方向性的或者說(shuō)是非均勻的，和射線(xiàn)極化方式、射線(xiàn)與劈的切角、劈的內(nèi)角有關(guān)。用 繞射系數(shù)來(lái)定量地反應(yīng)這種方向性和非均勻性，從而，入射場(chǎng)和繞射系數(shù)共同確定了繞射 射線(xiàn)的初值。因此，需要計(jì)算每條射線(xiàn)的繞射系數(shù)，得到繞射射線(xiàn)的場(chǎng)強(qiáng)值和方向性，根據(jù) 電波傳播書(shū)籍，可知繞射系數(shù)。
[0024] 如圖1所示，根據(jù)反射及繞射系數(shù)計(jì)算每條射線(xiàn)在接收點(diǎn)的矢量場(chǎng)，對(duì)所有射線(xiàn) 進(jìn)行疊加，計(jì)算該頻點(diǎn)的合成總場(chǎng)；重復(fù)電磁仿真，得到各頻點(diǎn)的頻域場(chǎng)值，通過(guò)傅里葉反 變換，得到接收點(diǎn)處時(shí)域電磁脈沖。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種超電大尺寸的強(qiáng)電磁脈沖環(huán)境時(shí)頻空多維分析模型，它提出一種采用射線(xiàn)追蹤 的電磁脈沖重構(gòu)方法進(jìn)行頻-時(shí)變換，建立目標(biāo)區(qū)域時(shí)頻空多維分析模型，包括如下步驟： (1) 通過(guò)相關(guān)建模軟件，建立超電大尺寸對(duì)象的幾何模型，選擇合適的面元剖分方式， 生成相應(yīng)的電磁模型，電磁軟件仿真計(jì)算到達(dá)接收點(diǎn)的所有射線(xiàn)路徑； (2) 提取射線(xiàn)路徑信息，基于射線(xiàn)追蹤方法，計(jì)算接收點(diǎn)各個(gè)頻率的頻域場(chǎng)； (3) 通過(guò)傅里葉反變換，得到接收點(diǎn)處時(shí)域電磁脈沖。2. 據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超電大尺寸的強(qiáng)電磁脈沖環(huán)境時(shí)頻空多維分析模型，其特 征是：將入射電磁波等效成射線(xiàn)，每根入射射線(xiàn)能量都設(shè)置為該頻點(diǎn)能量。3. 據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超電大尺寸的強(qiáng)電磁脈沖環(huán)境時(shí)頻空多維分析模型，其特 征是：等效的電磁射線(xiàn)主要包括直射射線(xiàn)，一次反射線(xiàn)及一次繞射線(xiàn)，以及多次繞射與反射 復(fù)合的散射貢獻(xiàn)，例如反射-繞射射線(xiàn)構(gòu)成的場(chǎng)，繞射_繞射射線(xiàn)構(gòu)成的場(chǎng)，主要考慮直射 射線(xiàn)、一次射線(xiàn)和兩次射線(xiàn)，忽略三次及以上的射線(xiàn)。4. 據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超電大尺寸的強(qiáng)電磁脈沖環(huán)境時(shí)頻空多維分析模型，其特 征是：通過(guò)電磁仿真需要對(duì)射線(xiàn)類(lèi)型信息進(jìn)行記錄。同時(shí)，記錄射線(xiàn)追蹤中獲取的幾何信 息，包括：觀(guān)測(cè)點(diǎn)位置，每條射線(xiàn)的反射點(diǎn)或繞射點(diǎn)位置，發(fā)生反射或繞射作用的面元位置 信息。5. 據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超電大尺寸的強(qiáng)電磁脈沖環(huán)境時(shí)頻空多維分析模型，其特 征是：在接收點(diǎn)處的頻域場(chǎng)是對(duì)所有射線(xiàn)進(jìn)行疊加，計(jì)算各個(gè)頻率的合成總場(chǎng)。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種超電大尺寸的強(qiáng)電磁脈沖環(huán)境時(shí)頻空多維分析模型，它提出一種采用射線(xiàn)追蹤的電磁脈沖重構(gòu)方法進(jìn)行頻-時(shí)變換，建立目標(biāo)區(qū)域時(shí)頻空多維分析模型，包括如下步驟：(1)通過(guò)相關(guān)建模軟件，建立超電大尺寸對(duì)象的幾何模型，選擇合適的面元剖分方式，生成相應(yīng)的電磁模型，電磁軟件仿真計(jì)算到達(dá)接收點(diǎn)的所有射線(xiàn)路徑；(2)提取射線(xiàn)路徑信息，基于射線(xiàn)追蹤方法，計(jì)算接收點(diǎn)各個(gè)頻率的頻域場(chǎng)；(3)通過(guò)傅里葉反變換，得到接收點(diǎn)處時(shí)域電磁脈沖。解決了電磁脈沖武器攻擊下超電大尺寸對(duì)象的電磁環(huán)境分布特性計(jì)算問(wèn)題。
【IPC分類(lèi)】G01S7/497
【公開(kāi)號(hào)】CN104914425
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510329907
【發(fā)明人】姜弢, 曹小東, 李文興, 段瀚林
【申請(qǐng)人】哈爾濱工程大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年9月16日
【申請(qǐng)日】2015年6月15日