超高速薄涂敷隐身飞行目标的电磁散射分析方法技术

本发明专利技术公开了一种超高速薄涂敷隐身飞行目标的电磁散射分析方法。针对包裹在超高速薄涂敷隐身飞行目标周围等离子体的非均匀特性，采用了体积分方程方法进行分析，隐身飞行目标的金属本体及其涂敷的隐身材料采用基于面积分的薄涂敷分析方法进行建模分析。相对于所有介质部分均采用体积分方程分析的传统方法，本发明专利技术中的方法可以节省计算资源，同时由于方程中采用的格林函数为真空中的格林函数，多层快速多级子技术被用来进一步加速求解，使得本发明专利技术对于求解超高速薄涂敷隐身飞行目标散射问题需要更少的计算内存以及计算时间。

【技术实现步骤摘要】
超高速薄涂敷隐身飞行目标的电磁散射分析方法
本专利技术属于目标电磁散射特性的快速计算
，特别是一种应用于超高速薄涂敷隐身飞行目标的电磁散射分析方法。
技术介绍
超高速飞行目标由于具有很快的飞行速度（3马赫以上）以及较高的飞行高度（20Km以上），其飞行时与空气摩擦会产生几千摄氏度的气动热，使其周围空气由于电离而呈离子状态存在。当电离度达到一定程度时，电离气体具有等离子体性质。此时在飞行目标表面附近的包覆流场通常被称为等离子体包覆流场、再入等离子体或等离子体壳套，此时相当于飞行目标被等离子体所覆盖（常雨.超声速/高超声速等离子体流场数值模拟及其电磁特性研究,国防科技大学博士论文，2009）。同时，为了考虑隐身的目的，通常会在飞行器表面涂敷隐身材料，起到减小雷达散射截面的作用而达到隐身目的。由于空气被电离形成的等离子体相对介电常数的不均匀性，并且飞行器表面涂敷的吸波材料非常薄，这都给使用数值方法分析飞行目标的电磁散射问题带来一定的困难。通过研究发现，位于飞行器顶端部分的等离子体壳套具有较大的等效相对介电常数，而离子体壳套其它部分介质介电常数接近空气，这形成了等离子体相对介电参数的不均匀特性。针对不均匀的等离子体壳套，使用体积分方程方法（SchaubertD,WiltonDandGlissonA.Atetrahedralmodelingmethodforelectromagneticscatteringbyarbitrarilyshapedinhomogeneousdielectricbodies.IEEETransactiononAntennasandPropagation,1984,32(1):77–85.）进行分析；针对金属本体及其表面的涂敷结构，金属部分通常被作为理想导电体（PEC）来处理,并且容易被面积分方程方法（SIE）来分析求解，其中RWG基函数（RaoM,WiltonDandGlissonA.Electromagneticscatteringbysurfacesofarbitraryshape.IEEETransactiononAntennasandPropagation,1982,30(3):409–418.）由于其灵活性通常被被用来作为展开未知电流的基函数，同时利用涂敷隐身材料薄的特点，将隐身涂敷材料中的体电荷以及体电流转换为金属表面的感应电流的形式来求解。但是运用以上方法分析超高速薄涂敷隐身飞行目标的电磁散射问题面临着未知量大的问题，由此带来求解过程中需要大量的计算时间和内存。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种超高速薄涂敷隐身飞行目标的电磁散射分析方法，从而实现快速得到超高速薄涂敷隐身飞行目标的电磁散射特性参数。实现本专利技术目的的技术解决方案为：超高速薄涂敷隐身飞行目标的电磁散射分析方法，步骤如下：第一步，建立高速隐身飞行目标及等离子壳套模型，主要是等离子壳套的电磁参数模型的确定，其与高速飞行目标的飞行环境有关，如飞行高度、飞行速度以及飞行目标周围大气压强及温度等。第二步，网格处理。对于金属及其涂敷部分采用三角形剖分，对于等离子壳套部分采用四面体剖分。第三步，建立混合体面积分方程。根据混合结构的散射特性，目标上的总场等于的入射场与所有的散射场之和，入射电场为已知激励，均匀平面波通常被用来作为入射电场，散射电场可以用待求的电通密度和感应电流密度来表示。第四步，将自由空间中格林函数基于加法定理展开，结合体面积分方程的表达式，给出远场部分的聚合因子，转移因子和配置因子的具体表达形式。第五步，矩阵方程求解以及电磁散射参数的计算。本专利技术与现有技术相比，其显著优点：1.未知量少。由于薄涂敷内的极化电荷和电流均用金属本体上的电流来表示，所有不需要额外的未知量描述涂敷内的电磁参数。2.求解速度快。由于采用了体面积分方程分析超高速飞行目标以及包裹在超高速飞行目标外面的非均匀等离子，所用格林函数为自由空间的格林函数，方便多层快速多级子技术的引入，加速矩阵求解。附图说明图1超高速薄涂敷隐身飞行目标电磁模型示意图。图2超高速薄涂敷隐身飞行目标结构示意图。图3超高速薄涂敷隐身飞行目标的雷达散射截面图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述。第一步，建立超高速飞行目标及等离子壳套模型，主要是等离子壳套的电磁参数模型的确定，其与超高速飞行目标的飞行环境有关，如飞行高度、飞行速度以及飞行目标周围大气压强及温度等。由飞行目标的飞行高度、攻角和飞行马赫数参数，运用商业软件ANSYS对目标模型进行气动模拟计算，得到目标的电子数密度，温度，压强信息数据，由此得到等离子体特征频率以及碰撞频率，再由以下公式得到等离子壳套的等效相对介电常数，其中ωpe为等离子体特征频率，ω为电磁波频率，v为等离子体碰撞频率。第二步，对于金属及其涂敷部分采用三角形剖分，对于等离子壳套部分采用四面体剖分。第三步，根据包裹等离子壳套高超速飞行目标结构的散射特性，采用矩量法基础理论，得到体面积分方程，其矩阵方程形式为：其中：其中，和分别代表体和面测试基函数，V表示介质区域，S表示金属表面，VTDS表示薄介质区域，S▽表示薄介质下表面，SΔ表示薄介质上表面，ω为电磁波角频率，常数系数是自由空间的格林函数。上式中右边向量是由平面波产生的，可以写成Ei是入射电场。ZDD代表介质对介质的作用，ZDM表示介质对金属及涂敷的作用，ZMD都表示金属及涂敷对介质的作用，ZMM表示金属对金属的作用；第四步，求解矩阵方程，得到电流系数，再根据互易定理由电流系数计算电磁散射参量，如雷达散射截面，近远场电场分布。为了验证方法的可行性，下面给出了超高速飞行目标的电磁散射的算例。本例是一个半径为0.2米的金属球，涂覆了一层厚度为0.02米的薄介质层，参数为εr=3-j0.006，μr=2，在薄介质层的外部又包裹了一层厚度为0.08米的介质，其相对介电常数εr=2。本实施例中以均匀介质代替等离子特壳套，方便与现有商业软件进行比对。由图3可知，以雷达散射截面参量为例，本专利技术方法计算出的雷达散射截面与商业软件FEKO的计算结果相符，验证了本专利技术方法的有效性。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超高速薄涂敷隐身飞行目标的电磁散射分析方法，其特征在于步骤如下：第一步，建立超高速薄涂敷隐身飞行目标等离子壳套模型，根据飞行目标的飞行高度、攻角和飞行马赫数参数，对超高速飞行目标进行气动模拟计算，得到目标的电子数密度、温度和压强信息数据，由此得到等离子体特征频率以及碰撞频率，再由以下公式得到等离子壳套各空间位置的等效相对介电常数，ϵr=1-ω2peω2+v2-jvωω2peω2+v2---(1)]]>其中ωpe为等离子体特征频率，ω为电磁波频率，v为等离子体碰撞频率；第二步，根据包裹等离子壳套超高速飞行目标结构的散射特性，采用矩量法基础理论，得到积分方程，其矩阵方程形式为：ZmnDDZmnMDZmnDMZmnMMDnIn=vmVvmS---(2)]]>ZDD代表介质对介质的作用，ZDM表示介质对金属及涂敷的作用，ZMD都表示金属及涂敷对介质的作用，ZMM表示金属对金属的作用,Dn和In是待求未知电流系数，和是右边向量激励；第三步，求解矩阵方程（2），得到电流系数Dn和In，再根据互易定理由电流系数计算电磁散射参量。...

【技术特征摘要】
1.一种超高速薄涂敷隐身飞行目标的电磁散射分析方法，其特征在于步骤如下：第一步，建立超高速薄涂敷隐身飞行目标等离子壳套模型，根据飞行目标的飞行高度、攻角和飞行马赫数参数，对超高速飞行目标进行气动模拟计算，得到目标的电子数密度、温度和压强信息数据，由此得到等离子体特征频率以及碰撞频率，再由以下公式得到等离子壳套各空间位置的等效相对介电常数，其中ωpe为等离子体特征频率，ω为电磁波频率，v为等离子体碰撞频率；第二步，根据包裹等离子壳套超高速飞行目标结构的散射特性，采用矩量法基础理论，得到积分方程，其矩阵方程形式为：ZDD代表介质对介质的作用，ZDM表示介质对金属及涂敷的作用，ZMD都表示金属及涂敷对介质的作用，ZMM表示金属对金属的作用,Dn和In是待求未知电流系数，和是右边向量激励；第三步，求解矩阵方程(2)，得到电流系数Dn和In，再根据互易定理由电流系数计算电磁散射参量；步骤2中，矩阵方程的具体表达形式如下：

【专利技术属性】
技术研发人员：陈如山，丁大志，樊振宏，陶诗飞，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32