一种基于斜率分布的船海互耦散射预测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于斜率分布的船海互耦散射预测方法，该方法包括以下步骤：1)对船舶本体多尺度结构电磁散射建模；2)船舶本体电磁散射协同求解；3)海面环境随机粗糙特性建模；4)海面面元斜率特征建模；5)舰海多路径互耦建模；6)船海互耦电磁散射预测计算。本发明专利技术通过海面斜率分布加权，将目标与粗糙面的互耦散射等效为船舶目标与规则平面相互作用的结果，解决对随机粗糙海面进行直接拟合和简化导致的算法适应性和准确性问题。

A method for predicting ship to ocean coupling scattering based on slope distribution

The invention discloses a method to predict the slope distribution of ship sea scattering based on mutual coupling, the method comprises the following steps: 1) of the ship body multiscale structure electromagnetic scattering model; 2) the ship body electromagnetic scattering coordination solution 3); modeling random rough sea environment; 4) the sea surface slope feature modeling; 5 ship sea multi path) coupling modeling; 6) electromagnetic scattering ship mutual coupling calculation. The present invention through the sea surface slope distribution weighted target and rough surface scattering of mutual coupling is equivalent to the ship and plane rules interaction results, solve directly fitting and simplified due to the random rough sea surface in the adaptability of the algorithm and the accuracy of the problem.

【技术实现步骤摘要】
一种基于斜率分布的船海互耦散射预测方法
本专利技术涉及电磁特性预测技术，尤其涉及一种基于斜率分布的船海互耦散射预测方法。
技术介绍
船舶作为海上运行的作战平台，与海面是直接接触的，由于船体与周围附近海面互耦散射，与舰艇本体散射相互混叠，舰艇实际的电磁散射因素从客观上已从目标本体散射扩展至船体与海面的复合散射。从散射特征上，不仅取决于船舶本体多尺度结构的电磁散射，同时也受到海面与船舶互耦散射的影响，使散射源分布和强度发生了较大变化。因此，在船舶设计阶段，需要在研究船舶本体散射特性的基础上，通过开展船海互耦散射预测，量化并控制海面对全船电磁散射特性的影响。雷达电磁信号作用于目标并发生电磁散射的过程实质上是雷达电磁信号与目标相互作用的过程，电磁散射预测的可信度取决于对目标及场景电磁仿真建模和求解的准确性。船海互耦散射预测的主要特点是多尺度船舶结构与大面积海面粗糙面相互作用的电磁求解，为保证预测精度，目前，国内主要采用的方法包括全波仿真方法和光学近似方法：(1)全波仿真方法具有几何、电磁参数表征完整的优点，该方法主要适用于小型目标与海面的互耦散射预测。(2)光学近似方法具有计算速度快、网格数量低的特点，通过散射体表面的感应电流取代散射体本身作为散射场源，基于几何光学的射线追踪理论完成结构间相互作用求解，适合大尺度目标电磁散射特性的仿真预测，但其存在的问题在于：由于算法本身的近似特性，其仿真前提为较为规则的理想导体目标和面元，无法开展各种海情海面的复杂粗糙表面准确性建模，制约了电磁散射回波特征预测的精度，因此，该方法主要适用于平静或规则简化海面与目标的互耦散射预测。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种基于斜率分布的船海互耦散射预测方法，通过海面斜率分布加权，将目标与粗糙面的互耦散射等效为船舶目标与规则平面相互作用的结果，解决对随机粗糙海面进行直接拟合和简化导致的算法适应性和准确性问题。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于斜率分布的船海互耦散射预测方法，包括以下步骤：1)对船舶本体多尺度结构电磁散射建模，利用下述模型将任意复杂结构沿三个坐标轴离散成网格单元，用Δx、Δy、Δz分别表示在x、y和z坐标方向的网格空间步长，用Δt表示时间步长：其中，其中，ε表示介电系数；μ表示磁导系数；σ表示电导率；σm表示导磁率；基于表面感应电流表征时域散射场为：其中，S′是目标表面S内被直接照射到的部分，为目标点到接收点的时间延迟，τ2＝k·(r′-rref)/c为二次散射点到接收点的时间延迟，2)船舶本体电磁散射协同求解，采用顺序传递方法。在FDTD计算的每个时间步，将FDTD外推面元胞上的场值外推到TDPO区目标表面的面元上，并立即用TDPO方法计算它们对远区观察点场的贡献。所得结果根据元胞到面元及面元到观察点的时间延迟进行存储累加，得到观察点的时域散射波形；执行时直接代入到TDPO远区散射场计算式中，有其中，A＝Z0/(2πrc)，磁场的另外两个分量也如此，τ2为目标电大尺寸表面面元到观察点的时间延迟，式中实现只对不同时刻离散时间序列F参量的面积分，与入射场无关。3)海面环境随机粗糙特性建模,将粗糙海面等效为无限多个振幅不同、频率不同、方向不同、相位杂乱的浪波组成的随机功率谱，表征海浪能量相对于组成波各空间频率或各空间波数的分布；采用分形尺度因子对粗糙海面进行数学建模描述，表示为其中，归一化因子C表示为其中，a是空间波数小于基频时的尺度因子(a＜1)，ε为正幂率因子。其它各项参数的定量描述如下：σ＝0.0087U2(U为海面19.5米高处的风速)，K0＝7.545/U2，ε＝3.9，b＝1.015，a＝1/b，S＝2.62，Nf＝500。4)海面面元斜率特征建模采用双尺度面元方法，直接从适应大尺度波浪的物理光学场积分表达式出发，在处理积分核内的相位项时，引入了具有特定分布的微小面元斜率特征模型取代几何模型，对大尺度表面进行小尺度波影响加权；加权后的物理光学模型为：其中，Scapi(ql)为毛细波成分，总散射系数为：5)舰海多路径互耦建模，将目标与粗糙面的耦合散射作用等效为镜像方向上场的相互作用，从而将目标与粗糙面的电磁耦合作用等效为目标与平面共同作用的结果；6)船海互耦电磁散射预测计算，建立基于基尔霍夫面积分的开展船海间互耦散射计算，通过对区域边界面散射场的等效源离散，实现船舶目标区与海面区间散射场相互关联。由于船海互耦散射相互作用存在近场特性，导致相互作用时的入射场难以满足导体区域光学理论适用的远场条件。为获得由时域有限差分区到时域物理光学区的“照射场”，采用基尔霍夫面积分方法实现了距离外推。电磁场近场到近场转换技术基于场等效原理，即一个辐射体产生的电磁场可以由一个完全包含该辐射体的闭合面上电、磁流的辐射场替代，时域物理光学区的二次照射场为其中，R＝r-r′，是积分表面外法向单位矢量，t-R/c为次级入射波的时间延迟，S为包围辐射源的外推闭合面，应用到时域有限差分方法中，选取一个立方体表面作为外推数据存储面S。是电磁场任一分量。这就使得计算闭合面外一点上任何一个场量时，仅需要闭合面上相对应的该场量，而与其他场量无关，因此六个场量可以分开单独计算。本专利技术产生的有益效果是：1)基于区域分解和协同求解思想，发挥各种算法优势，解决传统一体化计算引起的算法适应性和求解误差难题，预测方法可应用于。2)创新性建立加权多路径互耦散射的电磁模型，解决粗糙海面轮廓的电磁建模难题。3)采用的时域计算方法，有利于实现宽频带电磁分析，不仅可计算目标雷达波散射截面，也有利于开展高分辨力成像预测分析。附图说明下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明，附图中：图1是本专利技术实施例的方法流程图；图2是本专利技术实施例的时域有限差分的空间离散示意图；图3是本专利技术实施例的基于三维扫描线算法的空间网格分割加速示意图；图4是本专利技术实施例的共形网格划分示意图；图5是本专利技术实施例的时域物理光学的空间参数示意图；图6是本专利技术实施例的顺序传递法流程图；图7是本专利技术实施例的F项对观察点的贡献示意图；图8是本专利技术实施例的基于线性叠加方法生成的海面随机粗糙轮廓示意图；图9是本专利技术实施例的海面散射计算与传统模型以及实测结果的对比图；图10是本专利技术实施例的小尺度波的表示方法示意图；图11是本专利技术实施例的大尺度波浪轮廓的面元离散和波程示意图；图12是本专利技术实施例的海面面元回波幅度分布图；图13是本专利技术实施例的计算海面散射截面(RCS)与全波矩量法计算结果的对比图；图14是本专利技术实施例的互耦散射场分量的镜像等效示意图；图15是本专利技术实施例的船海互耦合路径2的投影计算示意图图16是本专利技术实施例的不同风速下海面上反射单元的斜率分布示意图；图17是本专利技术实施例的粗糙海面的镜像点简化示意图；图18是本专利技术实施例的斜率分布统计；图19是本专利技术实施例的基于加权多路径模型的各散射分量对比图；图20加权多路径模型与未加权复合散射对比图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本专利技术方法流程如图1所示，一种基于斜率分布的船本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于斜率分布的船海互耦散射预测方法，其特征在于，包括以下步骤：1)对船舶本体多尺度结构电磁散射建模，利用下述模型将任意复杂船舶结构沿三个坐标轴离散成网格单元，用Δx、Δy、Δz分别表示在x、y和z坐标方向的网格空间步长，用Δt表示时间步长：

【技术特征摘要】
1.一种基于斜率分布的船海互耦散射预测方法，其特征在于，包括以下步骤：1)对船舶本体多尺度结构电磁散射建模，利用下述模型将任意复杂船舶结构沿三个坐标轴离散成网格单元，用Δx、Δy、Δz分别表示在x、y和z坐标方向的网格空间步长，用Δt表示时间步长：其中，其中，ε表示介电系数；μ表示磁导系数；σ表示电导率；σm表示导磁率；则基于表面感应电流表征时域散射场为：其中，S′是目标表面S内被直接照射到的部分，为目标点到接收点的时间延迟，τ2＝k·(r′-rref)/c为二次散射点到接收点的时间延迟，2)船舶本体电磁散射协同求解，采用顺序传递方法，在FDTD计算的每个时间步，将FDTD外推面元胞上的场值外推到TDPO区目标表面的面元上，并立即用TDPO方法计算它们对远区观察点场的贡献。所得结果根据元胞到面元及面元到观察点的时间延迟进行存储累加，得到观察点的时域散射波形；执行时直接代入到TDPO远区散射场计算式中，有

【专利技术属性】
技术研发人员：吴楠，吴锋涛，张洪亮，张瑞，朱泳，
申请(专利权)人：中国舰船研究设计中心，
类型：发明
国别省市：湖北,42