超高音速飞行器的雷达散射截面快速计算方法技术

本发明专利技术提出了一种超高音速飞行器的雷达散射截面快速计算方法，其包含：S1、基于飞行器运动状态下其周围等离子体分布特征，提取得到基于等离子体流场数据分布的物理场参数，该物理场参数包含等离子体电子密度、碰撞频率；S2、对计算区域进行网格划分，基于离散化的等离子体流场数据分布信息，获取相应运动情形状态下所对应的谱函数分布模型；S3、基于等离子体流场数据分布的物理场参数进行相应雷达散射截面求解；S4、设定不同入射角度，根据所划定的网格信息获取不同方位角的雷达散射截面。其优点是：提供了一种简单快速的等效电磁波雷达散射截面求解方法。

【技术实现步骤摘要】
超高音速飞行器的雷达散射截面快速计算方法
本专利技术涉及雷达散射截面求解
，具体涉及一种超高音速飞行器的雷达散射截面快速计算方法。
技术介绍
再入或临近空间高超声速隐身飞行器在大气层中飞行时，会形成等离子体绕流和尾迹，将严重影响飞行器的电磁散射特性，从而使得临近空间高超声速飞行器表现出与大气层内常规飞行器和大气层外轨道飞行器在电磁散射特性上的明显不同，对飞行器的探测、跟踪带来新的挑战(A.H.Richard.Theapplicationoflightgasgunfacilitiesforhyper-velocityaerophysicsresearch[R].AIAA92-98.)。当超高速飞行器临近空间飞行时，周围的空气被急剧压缩、飞行器与空气之间强烈磨擦，表面被加热，产生红外辐射与可见光辐射，弹体表面形成等离子鞘套、飞行器下游形成电离尾迹，极大地改变了飞行器的电磁特性(乐嘉陵,高铁锁,曾学军.载人物理[M],北京：国防工业出版社，2005.张志成,气动物理学[M].北京：国防工业出版社，20(3),2013)。以往的研究表明，空间大气层中再人物体，或者超高音速隐身飞行器的电磁散射主要来源其尾迹的湍流等离子体场(G.F.Pippert.Onthestructureofwaketurbulencededucedfromfieldradarmeasurements[R].AIAAPaper630-640,1963)。通常，超高速飞行器头身部绕流电离流场一般处于层流状态。而尾迹流场一部分是层流、一部分是湍流。层流的电磁散射一般是镜面散射，其后向散射的比例很小。湍流相对于受照射的电磁波波长，分为过密湍流和亚密湍流，过密湍流是面漫散射，亚密湍流是体散射，亚密湍流的电磁散射的强度通常要比过密湍流大得多。因此，亚密湍流尾迹的雷达特性是防御雷达目标识别的主要研究内容之一，对其进行分析具有重要的实际意义。超高速飞行器及绕流的雷达散射截面(RCS，RadarCrossSection)特性模拟方面，分析方法大致可以分为三类。精确解析法，高频近似法和数值模拟法(于哲峰，刘佳琪，刘连元等。临近空间超高声速飞行器RCS特性研究，宇航学报，2014，35(6)，713-717)。三种方法各有优缺点，精确的解析方法是最准确的，但是只能对于有限的外形求解。近似解法运算速度快，可以解决电大尺寸问题，但是计算精度有限，对于复杂外形的处理也存在问题(苏汉生，张作一，刘秀详等，飞行器等离子体鞘套与电磁波相互作用预测方法，北京临近空间飞行器系统工程研究所，专利号：CN106611083A,2017.5)；数值模拟法如时域有限差分方法等，快速多机子算法和有限元算法等，计算精度高，可以方便的计算外形和介质复杂飞行器的RCS，缺点是难以解决电大尺寸问题(陈如山，丁大志，樊振宏等，飞行器共形亚网格电磁散射特性分析的仿真方法，南京理工大学，专利号：CN105653747A，2014.6)。此外，还有通过测试方法获取等离子体包围目标的雷达散射截面(谢楷，赵凉，秦永强，李小平，等离子体包覆材料的雷达反射特性测量装置及方法，西安电子科技大学，专利号：CN102809577A,2012.12)。总体来说，高超声速飞行器亚密湍流尾迹RCS特性相似规律研究是一个非常困难的问题，国内尚未专门开展过这方面的研究，而国外公开发表的文献中也没有现成的理论可以借鉴。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种超高音速飞行器的雷达散射截面快速计算方法，其基于超高音速飞行器运动状态下其周围等离子体分布特征，通过提取其等离子体流场数据获取谱函数特征分布模型，从而进行雷达散射截面求解，是一种简单快速的等效电磁波雷达散射截面求解方法。为了达到上述目的，本专利技术通过以下技术方案实现：一种超高音速飞行器的雷达散射截面快速计算方法，其特征是，包含：S1、基于飞行器运动状态下其周围等离子体分布特征，提取得到基于等离子体流场数据分布的物理场参数，该物理场参数包含等离子体电子密度、碰撞频率；S2、对计算区域进行网格划分，基于离散化的等离子体流场数据分布信息，获取相应运动情形状态下所对应的谱函数分布模型；S3、基于等离子体流场数据分布的物理场参数进行相应雷达散射截面求解；S4、设定不同入射角度，根据所划定的网格信息获取不同方位角的雷达散射截面。上述的超高音速飞行器的雷达散射截面快速计算方法，其中，所述步骤S2具体包含：S21、输入飞行器几何模型结构，建立相应模型，并输入超高音速飞行器在所处运动状态下周围的物理场参数，获取不同运动状态下飞行器基于离散化数网格分布的周围的等离子体分布，每一网格上数据对应相应区域的等离子体平局物理参数；S22、对于亚密湍流尾迹电磁散射特性，采用一阶Born近似方法修正形式的畸变近似和输运理论，并考虑电磁波入射情况下等离子体的折射效应，求解等离子体目标的电磁散射特性；S23、对于飞行器的密湍流尾迹电磁散射特性，将步骤S22中所求解的等离子体目标的电磁散射特性分布，带入到Shkarofsky湍流谱函数表达式中，求解出飞行器在一定高度以及飞行状态下各向同性谱函数分布表达式；S24、离散化飞行器周围等离子体几何区域，根据计算区域关于沿着运动方向轴对称结构的特性，并根据头部等离子体几何区域密度较高，沿尾部方向，等离子体密度分布非均匀较小的特点，把等离子体几何区域沿运动方向划分为若干圆环形区域，确保每一个圆环近似对应一个具有均匀物理属性的等离子体几何区域；对于每一个圆环形区域，采用对步骤S23中所获得的离散化的电磁散射分布数据进行取平均值的方法，求解等离子体包围飞行器上每一个圆环所对应的各项同性谱函数分布。上述的超高音速飞行器的雷达散射截面快速计算方法，其中，所述的步骤S3具体包含：根据已求解的离散化Sharofsky谱函数分布，一阶Born近似方法修正形式的畸变近似和输运理论所对应的Born近似亚密湍流尾迹雷达散射截面求解公式，得出沿飞行器运动方向上离散化的雷达散射截面分布，并对该雷达散射截面分布，进行体积分，求解出沿飞行方向上总的雷达散射截面大小。上述的超高音速飞行器的雷达散射截面快速计算方法，其中，所述的步骤S24中的离散化飞行器周围等离子体几何区域是通过基于等离子体密度分布的几何区域特征进行网格划分，从而离散化等离子体区域属性分布，具体的：对等离子体区域进行网格划分，模型的几何区域沿z方向为从顶部区域至尾部区域，以及在y方向和z方向呈轴对称分布，其最大值为尾部的直径，采用正六面体网格的划分方法对整个空间求解区域进行足够精度的网格划分；上述的超高音速飞行器的雷达散射截面快速计算方法，其中，所述的步骤S23中，将所求解的离散化的电磁散射分布带入到Shkarofsky湍流谱函数表达式中，求解出飞行器在一定高度以及飞行状态下各向同性谱函数分布表达式,其具体过程包括：对于该等离子体模型的雷达散射截面计算，采取对整个计算区域模型进行网格划分的方法，分别在相对应的入射方向，计算得到在该入射方向上相对应的等离子体平均密度；对相对应网格的等离子体平均电子密度进行离散傅里叶变换，得到相应电子密度所对应的频谱：式中，矢量x含有n个不均匀的采样点，i是虚部单位，ω＝e-2πi/n为整个空间中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超高音速飞行器的雷达散射截面快速计算方法，其特征在于，包含：S1、基于飞行器运动状态下其周围等离子体分布特征，提取得到基于等离子体流场数据分布的物理场参数，该物理场参数包含等离子体电子密度、碰撞频率；S2、对计算区域进行网格划分，基于离散化的等离子体流场数据分布信息，获取相应运动情形状态下所对应的谱函数分布模型；S3、基于等离子体流场数据分布的物理场参数进行相应雷达散射截面求解；S4、设定不同入射角度，根据所划定的网格信息获取不同方位角的雷达散射截面。

【技术特征摘要】
1.一种超高音速飞行器的雷达散射截面快速计算方法，其特征在于，包含：S1、基于飞行器运动状态下其周围等离子体分布特征，提取得到基于等离子体流场数据分布的物理场参数，该物理场参数包含等离子体电子密度、碰撞频率；S2、对计算区域进行网格划分，基于离散化的等离子体流场数据分布信息，获取相应运动情形状态下所对应的谱函数分布模型；S3、基于等离子体流场数据分布的物理场参数进行相应雷达散射截面求解；S4、设定不同入射角度，根据所划定的网格信息获取不同方位角的雷达散射截面。2.如权利要求1所述的超高音速飞行器的雷达散射截面快速计算方法，其特征在于，所述步骤S2具体包含：S21、输入飞行器几何模型结构，建立相应模型，并输入超高音速飞行器在所处运动状态下周围的物理场参数，获取不同运动状态下飞行器基于离散化数网格分布的周围的等离子体分布，每一网格上数据对应相应区域的等离子体平局物理参数；S22、对于亚密湍流尾迹电磁散射特性，采用一阶Born近似方法修正形式的畸变近似和输运理论，并考虑电磁波入射情况下等离子体的折射效应，求解等离子体目标的电磁散射特性；S23、对于飞行器的密湍流尾迹电磁散射特性，将步骤S22中所求解的等离子体目标的电磁散射特性分布，带入到Shkarofsky湍流谱函数表达式中，求解出飞行器在一定高度以及飞行状态下各向同性谱函数分布表达式；S24、离散化飞行器周围等离子体几何区域，根据计算区域关于沿着运动方向轴对称结构的特性，并根据头部等离子体几何区域密度较高，沿尾部方向，等离子体密度分布非均匀较小的特点，把等离子体几何区域沿运动方向划分为若干圆环形区域，确保每一个圆环近似对应一个具有均匀物理属性的等离子体几何区域；对于每一个圆环形区域，采用对步骤S23中所获得的离散化的电磁散射分布数据进行取平均值的方法，求解等离子体包围飞行器上每一个圆环所对应的各项同性谱函数分布。3.如权利要求2所述的超高音速飞行器的雷达散射截面快速计算方法，其特征在于，所述的步骤S3具体包含：根据已求解的离散化Sharofsky谱函数分布，一阶Born近似方法修正形式的畸变近似和输运理论所对应的Born近似亚密湍流尾迹雷达散射截面求解公式，得出沿飞行器运动方向上离散化的雷达散射截面分布，并对该雷达散射截面分布，进行...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈方园，许勇刚，梁子长，张元，谢兵，
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