一种稀薄大气层内超高速目标电磁散射快速计算方法技术

本发明专利技术公开了一种稀薄大气层内超高速目标电磁散射快速计算方法，包含以下过程：等离子体等效分层介质模型建模，利用等值面提取算法对高超声速目标绕流流场数据进行分析，建立等离子体等效分层介质模型；分层介质中的射线追踪与场强追踪，利用射线对电磁波在分层介质中的传播过程进行模拟，并沿射线传播路径进行场强追踪，获取射线在多层介质中各个交点位置的电场信息；分层介质包覆目标的远区散射场建模，在高频电磁波入射情况下，可采用弹跳射线法对多层介质包覆目标的电磁散射特性进行建模；针对出射射线，利用物理光学法求解其在雷达接收机方向的散射贡献，获取总散射场及RCS信息。本发明专利技术具有扩大适用性范围的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种稀薄大气层内超高速目标电磁散射快速计算方法
本专利技术涉及雷达目标特性建模领域，具体涉及一种稀薄大气层内等离子体包覆目标的电磁散射建模方法。
技术介绍
目标的雷达散射截面(RadarCrossSection，RCS)是雷达探测技术、隐身和反隐身技术的一个重要特征参数，是表征目标散射特性的一个最基本的参数。RCS分析预估是根据各种电磁散射理论研究场景产生散射场的各种机理，并且利用各种近似计算方法和计算机技术定量估计目标的电磁散射特性。目前，对于静态目标本体的RCS研究已日趋完善，而对于稀薄大气层内超高速目标的电磁散射建模方法则有待发展。当超高速目标运行于稀薄大气层内时，由于强烈的激波压缩和粘性摩擦作用，其周围的温度迅速升高，使空气发生离解和电离，形成包覆目标的激波等离子体。再入目标包覆的等离子体是不均匀的弯曲等离子体层，入射雷达波在激波等离子体中传播时，会伴随发生衰减、反射、折射等现象，对其进行散射建模比较困难。因此，以激波等离子体包覆目标的真实散射机理为基础，建立逼真的等离子体包覆目标散射模型，具有重要意义。在现有技术中，专利技术专利“一种非均匀媒质可视求迹散射分析方法”(申请号：201110193676.3)中公开了一种基于图形显示的计算非均匀媒质雷达散射特性的新方法。该方法通过OpenGL中的遮挡判别功能来实现射线与目标的求交运算，但是无法模拟射线在等离子体中发生的折射，同时无法实现射线在目标及等离子体区域的多次反射求解。专利技术专利“超高速飞行目标的电磁散射分析方法”(申请号：201310136199.6)中公开了一种超高速飞行目标的电磁散射分析方法。该方法针对包裹在超高速飞行目标周围等离子体的非均匀特性，采用体面积分方程方法进行分析，并通过网格的自适应加密处理，提高计算精度。该方法属于数值计算方法，其内核为多层快速多极子，其计算速度和资源消耗较大，无法实现电大尺寸问题的求解。专利技术专利“一种分析等离子体电磁散射特性的时域积分方程方法”(申请号：201410749015.8)中公开了一种等离子体电磁散射特性的时域积分方程方法。该方法通过离散物体模型，使用自由空间格林函数及递归卷积方法，可以分析非均匀等离子体目标的电磁散射特性。该方法属于数值计算方法，虽然可获得等离子体电磁散射的精确解，但是计算速度和资源消耗较大，无法实现电大尺寸问题的求解。2004年《物理学报》杂志中公开的文献《等离子体覆盖三维立方体目标RCS的FDTD分析》介绍了一种等离子体的时域有限差分分析方法。该方法采用FDTD对等离子体的散射特性进行分析，计算过程比较耗时，无法实现对电大尺寸问题的求解。2012年《核聚变与等离子体物理》杂志中公开的文献《斜入射电磁波在非均匀碰撞等离子体中的折射和反射特性》介绍了一种等离子体中等效折射、反射系数的求解方法。文中以一维非均匀碰撞吸收型等离子体为例，对斜入射电磁波的折射、反射特性进行了分析，但未说明如何将该方法扩展到复杂外形等离子体包覆目标的散射求解中。目前，稀薄大气层内超高速目标电磁散射建模主要包括两种手段：一是采用有限差分或积分方程方法等数值方法对等离子体包覆目标的电磁散射特性进行建模；另一种是将等离子体包覆目标的散射问题简化为平行分层结构下目标的散射问题。其中第一种方法由于采用了时域有限差分或积分方程等数值方法，对计算时间和计算资源(内存)的消耗较大，无法解决电大尺寸的问题。对于第二种方法，虽然提高了计算速度，但是没有考虑电磁波在等离子体中的折射现象，并且没有考虑等离子体鞘套的非均匀特性的影响。因此，现有技术方案的适用性受到很大限制。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种稀薄大气层内超高速目标电磁散射快速计算方法，通过利用非平行分层介质来等效超高速目标运行于稀薄大气层时产生的激波等离子体，利用射线来等效电磁波在多层介质中的反射与折射，并通过对射线的场强追踪和远场求解实现等离子体包覆目标的电磁散射建模，是一种行之有效的稀薄大气层超高速目标电磁散射建模方案。在该方法中，利用等效分层介质对非均匀等离子体的分布特性进行描述；通过对射线在分层介质中反射与折射现象进行射线追踪和场强追踪，实现分层介质的电磁散射计算，极大扩展了适用范围的目的。为了实现以上目的，本专利技术通过以下技术方案实现：一种稀薄大气层内超高速目标电磁散射快速计算方法，包含以下过程：步骤S1、等离子体等效分层介质模型建模，利用等值面提取算法对高超声速目标绕流流场数据进行分析，建立等离子体等效分层介质模型。步骤S2、分层介质中的射线追踪与场强追踪，利用射线对电磁波在分层介质中的传播过程进行模拟，并沿射线传播路径进行场强追踪，获取射线在多层介质中各个交点位置的电场信息。步骤S3、分层介质包覆目标的远区散射场建模，在高频电磁波入射情况下，可采用弹跳射线法对多层介质包覆目标的电磁散射特性进行建模。针对出射射线，利用物理光学法求解其在雷达接收机方向的散射贡献，获取总散射场及RCS信息。优选地，所述步骤S1进一步包含以下过程：通过采用热化学非平衡热环境的N-S/DSMC耦合算法实现稀薄大气层内高超声速目标绕流流场的建模，获取包含压强、碰撞频率、温度、电子数密度、各类气体组分密度等参数在空间分布的点云信息数据。提取高超声速目标绕流流场体数据中电子数密度分布的最大值与最小值，将其N等分，对于各分界值调用等值面提取的MarchingCubes算法，获取等电子数密度廓面信息；利用等电子数密度廓面将临近空间超高速目标绕流流场区域进行划分，建立等离子体的等效分层介质模型。优选地，等离子体的等离子体相对介电常数为式中：ω为电磁波频率；ωp为等离子振荡角频率，qe为电子电荷，ε0为真空介电常数，me为电子质量，Ne为电子数密度(cm-3)；ν为电子与中性粒子和其它粒子的碰撞频率。纯空气中碰撞频率与温度、压力的经验关系式是ν＝5.82×1012T-1/2P，式中T为温度，2000K<T<6000K，P为压强，i代表虚数单位。通过气体运动论得到带有烧蚀组分的混合气体的碰撞频率为：na为所有粒子数密度，Xi为混合气体中每个组分的质量百分率，Qi为每一组分电子的矩传输截面，k为波耳兹曼常数。优选地，所述射线追踪的过程为根据雷达与目标之间的相对位置关系，设置虚拟孔径面，从虚拟孔径面投射射线到目标区域，记录射线在目标区域的多次反射交点信息。射线追踪过程遵从Snell反射与折射定律。射线入射到目标表面时发生全反射；入射到各层介质分界面时发生分裂，根据各层介质的介电常数求解其折射率，在各层分界面处调用Snell定律求解反射射线与折射射线，并进行递归追踪，直到射线射出区域返回雷达接收机为止。优选地，所述步骤S2进一步包含以下过程：在高频入射电磁波情况下，入射波长小于介质分界面的局部曲率半径；平行极化波的传输特性与垂直极化波存在差异，分别计算平行极化分量和垂直极化分量的反射与透射，并通过矢量叠加合成为最终的反射电场与透射电场；入射电场的分解形式为式中：为入射电场垂直极化方向的单位矢量；为入射电场平行极化方向的单位矢量。反射电场为式中：和分别为当前交点的垂直极化和平行极化的复电场反射系数。透射电场为式中：和分别为当前交点的垂直极化和平行极化的复电场传输系数。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种稀薄大气层内超高速目标电磁散射快速计算方法，其特征在于，包含以下过程：步骤S1、等离子体等效分层介质模型建模，利用等值面提取算法对高超声速目标绕流流场数据进行分析，建立等离子体等效分层介质模型；步骤S2、分层介质中的射线追踪与场强追踪，利用射线对电磁波在分层介质中的传播过程进行模拟，并沿射线传播路径进行场强追踪，获取射线在多层介质中各个交点位置的电场信息；步骤S3、分层介质包覆目标的远区散射场建模，在高频电磁波入射情况下，采用弹跳射线法对多层介质包覆目标的电磁散射特性进行建模；针对出射射线，利用物理光学法求解其在雷达接收机方向的散射贡献，获取总散射场及RCS信息。

【技术特征摘要】
1.一种稀薄大气层内超高速目标电磁散射快速计算方法，其特征在于，包含以下过程：步骤S1、等离子体等效分层介质模型建模，利用等值面提取算法对高超声速目标绕流流场数据进行分析，建立等离子体等效分层介质模型；步骤S2、分层介质中的射线追踪与场强追踪，利用射线对电磁波在分层介质中的传播过程进行模拟，并沿射线传播路径进行场强追踪，获取射线在多层介质中各个交点位置的电场信息；步骤S3、分层介质包覆目标的远区散射场建模，在高频电磁波入射情况下，采用弹跳射线法对多层介质包覆目标的电磁散射特性进行建模；针对出射射线，利用物理光学法求解其在雷达接收机方向的散射贡献，获取总散射场及RCS信息。2.如权利要求1所述一种稀薄大气层内超高速目标电磁散射快速计算方法，其特征在于，所述步骤S1进一步包含以下过程：通过采用热化学非平衡热环境的N-S/DSMC耦合算法实现稀薄大气层内高超声速目标绕流流场的建模，获取包含压强、碰撞频率、温度、电子数密度、各类气体组分密度参数中的一种或其任意一组合在空间分布的点云信息数据；提取高超声速目标绕流流场体数据中电子数密度分布的最大值与最小值，将其N等分，对于各分界值调用等值面提取的MarchingCubes算法，获取等电子数密度廓面信息；利用所述等电子数密度廓面将临近空间超高速目标绕流流场区域进行划分，建立等离子体的等效分层介质模型。3.如权利要求2所述一种稀薄大气层内超高速目标电磁散射快速计算方法，其特征在于，等离子体的等离子体相对介电常数为式中：i代表虚数单位；ω为电磁波频率；ωp为等离子振荡角频率，qe为电子电荷，ε0为真空介电常数，me为电子质量，Ne为电子数密度，其单位为cm-3；ν为电子与中性粒子和其它粒子的碰撞频率，纯空气中碰撞频率与温度、压力的经验关系式是ν＝5.82×1012T-1/2P，式中T为温度，2000K＜T＜6000K，P为压强；通过气体运动论得到带有烧蚀组分的混合气体的碰撞频率为：na为所有粒子数密度，Xi为混合气体中每个组分的质量百分率，Qi为每一组分电子的矩传输截面，k为波耳兹曼常数。4.如权利要求1所述一种稀薄大气层内超高速目标电磁散射快速计算方法，其特征在于，所述射线追踪的过程为根据雷达与目标之间的相对位置关系，设置虚拟孔径面，从虚拟孔径面投射射线到目标区域，记录射线在目标区域的多次反射交点信息；射线追踪过程遵从Snell反射与折射定律；射线入射到目标表面时发生全反射；入射到各层介质分界面时发生分裂，根据各层介质的介电常数求解其折射率，在各层分界面处调用Snell定律求解反射射线与折射射线，并进行递归追踪，直到射线射出区域返回雷达接收机为止。5.如权利要求1所述一种稀薄大气层内超高速目标电磁散射快速计算方法，其特征在于，所述步骤S2进一步包含以下过程：在高频入射电磁波情况下，入射波长小于介质分界面的局部曲率半径；平行极化波的传输特性与垂直极化波存在差异，分别计算平行极化分量和垂直极化分量的反射与透射，并通过矢量叠加合成为最终的反射电场与透射电场；入射电场的分解形式为式中：为入射电场垂直极化方向的单位矢量，为电场传播方向矢量，为当前交点的法向矢量；为入射电场平行极化方向的单位矢量；反射电场为式中：和分别为当前交点的垂直极化和平行极化的复电场反射系数；透射电场为

【专利技术属性】
技术研发人员：谢志杰，梁子长，陈方园，
申请(专利权)人：上海无线电设备研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31