基于显式差分格式的电磁特性提取方法技术

本发明专利技术公开了一种基于显式差分格式的电磁特性提取方法，该方法在沿抛物线的轴向方向上构造若干个切面，每个切面用长方形网格进行离散，距离散射体由近至远依次为第一区域、第二区域和第三区域，第一区域和第二区域均为空气层，第三区域为PML层，第二区域和第三区域采用交替组显迭代方法显示求解，第一区域结合非齐次边界条件采用交替方向隐式差分格式求解，依次对沿轴向方向的各个切面上的离散节点散射场场值进行递推求解，求解最后一个切面的散射场场值后，根据远近场转换求解目标散射体双站雷达散射截面积。本发明专利技术在电大金属目标的电磁散射特性分析中能够节省计算时间，并且有利于并行求解，具有很强的实际工程应用价值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于目标电磁散射特性
，特别是一种基于显式差分格式的电磁特性提取方法。
技术介绍
电磁计算的数值方法如矩量法(MOM)、有限元法(FEM)、时域有限差分方法(FDTD)可以很好地解决电小尺寸物体的散射，但在计算电大物体的散射时，对计算机的配置要求过高。近似方法如射线跟踪、物理光学等高频方法则只能求解规则形状的电大物体的散射。迭代推进方法是用于求解目标散射问题的一种比较新型的方法，世界上许多国家主要在空间场的迭代递推、电流的迭代递推和时域场的迭代递推等方面做了大量的研究并取得一定的研究成果。抛物线方程方法属于迭代推进方法，它是波动方程的一种近似形式，假设电磁波能量在沿着抛物线轴向的锥形区域内传播。抛物线方程方法为求解电磁散射提供了一种准确、高效的计算方法，它的主要缺陷是只能对抛物线方向近轴区域内的电磁散射进行快速、准确地计算，不过这种限制可以通过旋转抛物线轴向来克服，主要思想是抛物线的轴向不受入射场方向的限制，使抛物线的轴向围绕散射目标旋转来计算目标任意方向的散射场。A.A.Zaporozhets和M.F.Levy在文章“Bistatic RCS Calculations with the Vector Parabolic Equation Method”中首次将抛物线方程方法来分析电磁散射问题，用抛物线方程方法计算目标的电磁散射问题，特别用于计算电大尺寸目标的散射时发现抛物线方程方法与以往的电磁计算方法相比具有快速、准确的特点。随着抛物线方程方法的不断发展，R.Martelly和R.Janaswamy在文章“Modeling Radio Transmission Loss in Curved,Branched and Rough-Walled Tunnels with the ADI-PE Method”中提出了采用交替方向隐格式的差分方法来分析隧道中波的传播问题，从而降低了计算的内存需求以及时间需求，但是现有技术中没有将该方法应用于电磁散射问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于显式差分格式的电磁特性提取方法，该方法将每个切面分为三部分分别进行求解，能够快速得到电磁散射特性参数。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种基于显式差分格式的电磁特性提取方法，步骤如下：步骤1、建立散射体的离散模型，确定抛物线的轴向方向作为x轴，采用网格对散射体沿抛物线的轴向方向进行离散处理，形成垂直于x轴的若干个切面，在每个切面上将散射体的边界点以及内部点标示出来；步骤2、将每个切面划分成三个区域，距离散射体由近至远依次为第一区域、第二区域和第三区域，第一区域和第二区域均为空气层，第三区域为完全匹配层；对第二和第三区域采用交替组显迭代方法显示求解散射场场值，对第一区域采用交替方向隐格式求解散射场场值；步骤3、令x轴方向为待求的散射方向，依次对沿轴向方向的各个切面上的离散节点散射场场值按步骤2的方法进行递推求解，求解最后一个切面的散射场场值后，根据远近场转换求解目标散射体双站雷达散射截面积。本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：(1)空气层及PML区域使用显格式差分求解散射场场值，计算速度能够显著加快；(2)散射体附近区域使用交替方向隐格式求解，形成的矩阵为三对角矩阵，可通过追赶法求解，计算速度显著提高；(3)各个区域每个切面的散射场场值计算互相独立，可通过并行提高计算效率。下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述。附图说明图1是本专利技术划分的三个区域示意图。图2是本专利技术交替组显迭代方法的差分格式示意图。图3是本专利技术交替方向隐格式方法的计算步骤示意图。图4是本专利技术实施例的散射体示意图。图5是本专利技术实施例中散射体双站RCS曲线图。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。结合附图1～2，本专利技术将交替分组显示格式和交替方向隐格式方法引入到抛物线方程方法中，电磁特性提取方法步骤如下：步骤1、建立散射体的离散模型，确定抛物线的轴向方向作为x轴，采用网格对散射体沿抛物线的轴向方向进行离散处理，形成垂直于x轴的若干个切面，在每个切面上将散射体的边界点以及内部点标示出来；步骤1.1、对散射体进行三角面元的面剖分，确定轴方向每个切面的方程，通过剖
分网格的几何关系求解三角面元与切面的交点，与该交点距离最近的差分网格点标记为边界点并求出该点法向分量；步骤1.2、对散射体进行四面体的体剖分，通过判断某点是否处于四面体内部来区分该点处于散射体内部或者散射体外部，并对这些点进行标记。步骤2、将每个切面分成三个区域进行求解，如图1所示，距离散射体由近至远依次为第一区域、第二区域和第三区域，第一区域和第二区域均为空气层，第三区域为PML层；对第二和第三区域采用交替组显迭代方法显示求解，对第一区域采用交替方向隐格式求解，具体包括以下步骤：步骤2-1、如图1所示，首先计算第二区域空气层的散射场场值，抛物线方程的交替组显迭代方法(AGE)是指利用交替组显迭代左单点(GEL)和交替组显迭代右单点(GER)两种方法在x方向交替迭代求解；设第二区域的离散点个数为M*M，M为自然数，将抛物线方程按图2所示的非对称格式差分展开，建立组显示格式，并将方程联立写成矩阵形式可得： u p , q n + 1 u p + 1 , q n + 1 u p + 1 , q + 1 n + 1 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于显式差分格式的电磁特性提取方法，其特征在于，步骤如下：步骤1、建立散射体的离散模型，确定抛物线的轴向方向作为x轴，采用网格对散射体沿抛物线的轴向方向进行离散处理，形成垂直于x轴的若干个切面，在每个切面上将散射体的边界点以及内部点标示出来；步骤2、将每个切面划分成三个区域，距离散射体由近至远依次为第一区域、第二区域和第三区域，第一区域和第二区域均为空气层，第三区域为完全匹配层；对第二和第三区域采用交替组显迭代方法显示求解散射场场值，对第一区域采用交替方向隐格式求解散射场场值；步骤3、令x轴方向为待求的散射方向，依次对沿轴向方向的各个切面上的离散节点散射场场值按步骤2的方法进行递推求解，求解最后一个切面的散射场场值后，根据远近场转换求解目标散射体双站雷达散射截面积。

【技术特征摘要】
1.一种基于显式差分格式的电磁特性提取方法，其特征在于，步骤如下：步骤1、建立散射体的离散模型，确定抛物线的轴向方向作为x轴，采用网格对散射体沿抛物线的轴向方向进行离散处理，形成垂直于x轴的若干个切面，在每个切面上将散射体的边界点以及内部点标示出来；步骤2、将每个切面划分成三个区域，距离散射体由近至远依次为第一区域、第二区域和第三区域，第一区域和第二区域均为空气层，第三区域为完全匹配层；对第二和第三区域采用交替组显迭代方法显示求解散射场场值，对第一区域采用交替方向隐格式求解散射场场值；步骤3、令x轴方向为待求的散射方向，依次对沿轴向方向的各个切面上的离散节点散射场场值按步骤2的方法进行递推求解，求解最后一个切面的散射场场值后，根据远近场转换求解目标散射体双站雷达散射截面积。2.根据权利要求1所述的基于显式差分格式的电磁特性提取方法，其特征在于，步骤1所述的建立物体的离散模型，具体为：步骤1.1、对散射体进行三角面元的面剖分，确定轴方向每个切面的方程，通过剖分网格的几何关系求解三角面元与切面的交点，与该交点距离最近的差分网格点标记为边界点并求出该点法向分量；步骤1.2、对散射体进行四面体的体剖分，通过判断某点是否处于四面体内部来区分该点处于散射体内部或者散射体外部，并对这些点进行标记。3.根据权利要求1所述的基于显式差分格式的电磁特性提取方法，其特征在于，步骤2中所述的对第二和第三区域采用交替组显迭代方法显示求解，对第一区域采用交替方向隐格式求解，具体为：步骤2.1、确定第二区域处的散射场场值；第二区域的差分网格的离散点个数为M*M，抛物线方程表示为： - r 1 u p + 1 , q n + 1 + ( 1 + r 1 + r 2 ) u p , q n + 1 - r 2 u p , q + 1 n + 1 = r 1 u p - 1 , q n + ( 1 - r 1 - r 2 ) u p , q n + r 2 u p , q - 1 n - r 1 u p , q n + 1 + ( 1 + r 1 + r 2 ) u p + 1 , q n + 1 - r 2 u p + 1 , q + 1 n + 1 = r 1 u p + 2 , q n + ( 1 - r 1 - r 2 ) u p + 1 , q n + r 2 u p + 1 , q - 1 n - r 1 u p , q + 1 n + 1 + ( 1 + r 1 + r 2 ) u p + 1 , q + 1 n + 1 - r 2 u p + 1 , q n + 1 = r 1 u p + 2 , q + 1 n + ( 1 - r 1 - r 2 ) u p + 1 , q + 1 n + r 2 u p + 1 , q + 2 n - r 1 u p + 1 , q + 1 n + 1 + ( 1 + r 1 + r 2 ) u p , q + 1 u + 1 - r 2 u p , q n + 1 = r 1 u p - 1 , q + 1 n + ( 1 - r 1 - r 2 ) u p , q + 1 n + r 2 u p , q + 2 n - - - ( 1 ) ]]>其中i为虚部，k为自由空间波数，△x,△y,△z分别代表x,y,z
\t方向上的离散间隔的大小，代表在(n,p,q)处的散射场场值，n,p,q分别代表在x,y,z方向上的离散网格的个数，1≤p≤M，1≤q≤M，1≤n≤N，N为切面的总个数。步骤2.2、确定第三区域的散射场场值；第三区域的抛物线方程表示为： u p , q n + 1 ( 1 + AΔx Δy 2 + CΔx Δz 2 + BΔx Δy + DΔx Δz ) - ( AΔx Δy 2 + BΔx Δy ) u p + 1 , q n + 1 - ( CΔx Δz 2 + DΔx Δz ) u p , q + 1 n + 1 = u p , q n ( 1 - AΔx Δy 2 - CΔx Δz 2 ) + AΔx Δy 2 u p - 1 , q n + CΔx Δz 2 u p , q - 1 n u p + 1 , q n + 1 ( 1 + AΔx Δy 2 + CΔx Δz 2 + DΔx Δz - BΔx Δy ) - ( AΔx Δy 2 - BΔx Δy ) u p , q n + 1 - ( CΔx Δz 2 + DΔx Δz ) u p + 1 , q + 1 n + 1 = u p + 1 , q n ( 1 - AΔx Δy 2 - CΔx Δz 2 ) + AΔx Δy 2 u p + 2 , q n + CΔx ...

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