腔体含介质目标电磁散射混合分析方法技术

本发明专利技术公开了一种腔体含介质目标电磁散射混合分析方法。步骤如下：将含腔目标的腔体部分填充为实心的金属，建立填充后目标的离散模型，构造出矩阵方程；依次对各个切面上的节点电场值进行递推求解；对最后一个切面的电场值进行修正，得到离散节点处的电场值，并将该电场值进行相位的修正；将目标中腔体部分单独用体面积分方程进行求解，将腔体中金属面和介质体离散得到的子散射体分组，采用快速多级子方法求解出腔体中金属表面的感应电流和介质内体极化电流；求出腔体开口面上抛物线方程所需各个离散点的电场场值，对所得的近场电场值进行转换求解雷达散射截面积。本发明专利技术将体面积分方程与无网格抛物线方程相结合，避免了抛物线不能计算腔体散射的缺陷。

A hybrid method for electromagnetic scattering analysis of a cavity with a medium target

The invention discloses a hybrid analysis method for electromagnetic scattering of a cavity with a medium target. The steps are as follows: part of the target cavity containing cavity filled with solid metal, discrete model is established after filling target, constructs the matrix equation; turn on each section of the node electric field value recursive method; electric field on the last section was corrected by field scattered nodes and values. The correction phase of the electric field value; the target in the cavity part alone with surface integral equations, the scattering body cavity group metal surface and dielectric discrete obtained, solved body polarization current induced current and dielectric metal surface in the inner cavity of the fast multipole method for cavity opening electric field; field on the surface of the parabolic equation for each discrete point value, the electric field of the value of the conversion for rcs. The invention combines the physical integral equation with the meshless parabolic equation, and avoids the defect that the parabola can not calculate the scattering of the cavity.

【技术实现步骤摘要】
腔体含介质目标电磁散射混合分析方法
本专利技术属于目标电磁散射特性数值计算
，特别是一种腔体含介质目标电磁散射混合分析方法。
技术介绍
近十几年来，电大尺寸复杂腔体的电磁散射特性分析引起了人们广泛的研究兴趣。抛物线方程方法在处理电大复杂金属目标有很大的优势。抛物线方程方法初期主要用来处理比较复杂的声波的传播问题和光学等方面的问题。该方法首先是由Lenontovich在1946年提出。随后，Malyuzhiners将PE方法和几何光学法结合，提出了一种关于障碍物绕射的理论；Hardin提出了分裂步傅立叶方法，用来解决水下声波的传播问题；Claerbout引入了有限差分，将PE方法应用于地球物理学，它对长距离声波在海洋中的传播和地震波传播的计算和研究提供了一种有效、准确的方法。近年来，国内外学者开始将抛物线方程方法应用于处理电磁散射问题.该算法把波动方程简化为抛物线方程，将散射目标等效为一系列的面元或线元，然后通过散射体上的边界条件和场的空间递推方式求解抛物线方程，把三维问题转化为一系列的二维问题来计算，通过近场/远场转换得到远区散射场，进而计算目标的双站RCS。然而，抛物线方程有自身的缺陷，该方法对于计算电小尺寸目标的散射时，计算误差较大，同时不适合用于计算腔体或凹面体的散射，主要是因为在这些目标表面散射场在传播方向上有大的变化。基于矩量法的体面积分方程是一种积分类数值仿真方法，它是波动方程的精确解，可以准确的分析腔体的电磁散射，但是它计算电大介质目标电磁散射时，消耗的内存很大。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种高效、可靠的基于体面积分和无网格抛物线方程的腔体含介质目标电磁散射混合分析方法，该方法腔体部分运用体面积分方程方法，并结合快速多级子进行求解，能够快速得到含腔结构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：一种腔体含介质目标电磁散射混合分析方法，步骤如下：步骤1、将含腔目标的腔体部分填充为实心的金属，建立填充后目标的离散模型，确定抛物线方程的轴向方向作为x轴，在x轴方向使用CN差分格式获取相邻两个切面间的关系，在y轴、z轴方向均采用RPIM构造形函数及空间导数，并且引入散射体边界条件，构造出矩阵方程；步骤2、依次对各个切面上的节点电场值进行递推求解，通过不断更新边界点的信息以及方程的右边向量求解下一个切面上各个离散节点处的电场值；步骤3、对最后一个切面的电场值进行修正，求解最后一个切面的矩阵方程，得到离散节点处的电场值，并将该电场值进行相位的修正；步骤4、将目标中腔体部分单独用体面积分方程进行求解，将腔体中金属面和介质体离散得到的子散射体分组，根据任意两个子散射体所在组的位置关系采用不同的方法计算阻抗矩阵元素，采用快速多级子方法求解出腔体中金属表面的感应电流和介质内体极化电流；步骤5、由含腔目标腔体中金属表面的感应电流和介质内体极化电流求出腔体开口面上抛物线方程所需各个离散点的电场场值；步骤6、对最后一个切面上的电场进行后处理，将步骤5所得的腔体开口面上的电场替换掉步骤3所得的原目标腔体开口处的电场，对所得的近场电场值进行近远场转换求解雷达散射截面积。本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：（1）建立模型简单，无网格抛物线方程与体面积分方程所分析的目标模型相互独立，简单明了；（2）分析电大尺寸的含腔目标的电磁散射问题时，比传统的体面积分方程消耗内存少，计算速度快；（3）无网格抛物线方程方法形成矩阵方程性态较好：由于各个离散的节点场值只跟其支撑域内的节点场值有关，所以形成的矩阵是一个稀疏矩阵，内存消耗较小，矩阵性态较好易于求解。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是本专利技术能量沿抛物线轴向传播示意图。图2是本专利技术散射目标示意图。图3是本专利技术无网格抛物线方程求解的散射目标示意图。图4是本专利技术体面积分方程求解的散射目标示意图。图5是格林函数所要求解的腔开口面处电场的节点示意图。图6是本专利技术实施1中目标散射体的二维截面图。图7是本专利技术实施例1中金属含腔目标在不同频率下观察点处RCS曲线图。图8是本专利技术实施例1中金属含腔目标在320MHz下后向散射曲线图。具体实施方式下面结合附图及具体实施例对本专利技术作进一步详细描述。结合附图1～5，本专利技术腔体含介质目标电磁散射混合分析方法，步骤如下：步骤1、将含腔目标的腔体部分填充为实心的金属，建立填充后目标的离散模型，如图1确定抛物线方程的轴向方向作为x轴，在x轴方向使用CN差分格式获取相邻两个切面间的关系，在y轴、z轴方向均采用RPIM构造形函数及空间导数，并且引入散射体边界条件，构造出矩阵方程，具体步骤如下：步骤1.1、将含腔目标的腔体部分填充为实心的金属，将得到的金属散射目标进行正方体网格离散，形成若干个垂直于x轴方向的切面，并找出每个切面上实心金属散射目标的边界点；例如如图2所示含介质的金属立方体凹槽，将其填充为如图3所示的金属立方体；步骤1.2、离散后的计算区域从外到内分别为PML层、自由空间、散射目标的边界和散射目标的内部，根据目标的几何关系，确定填充后散射目标内部的离散节点、边界上的离散节点、空气层的离散节点以及PML层对应的离散节点；步骤1.3、确定抛物线方程的轴向方向作为x轴，在三维情况下，标准矢量抛物线方程表示为：其中，分别为波函数在x轴、y轴、z轴方向的分量，分别为电场在x轴、y轴、z轴方向的分量，k为波数，i为虚数；在PML媒质中，矢量抛物线方程表示为：式中，σ()代表电损耗的函数，σ0代表电损耗的系数，δ代表趋肤深度的系数；在x轴方向使用CN差分格式获取相邻两个切面间的关系，在y轴、z轴方向均采用RPIM构造形函数及空间导数，电场u(x,y,z)通过形函数展开，如下式所示：u(x,y,z)＝Φ(x,y,z)US(x,y,z)(3)式中US(x,y,z)为待求的电场系数，Φ(x,y,z)＝[Φ1(x,y,z),Φ2(x,y,z),...,ΦN(x,y,z)]为形函数，N为支撑域内离散节点的个数，对u(x,y,z)的求导通过对Φ(x,y,z)求导实现；步骤1.4、引入散射体边界条件，构造出矩阵方程：对于目标边界点，假设P为散射体表面上的点，n=(nx,ny,nz)为P点的法向方向，在纯导体的表面上n×E=0，即：n(P)×Es(P)=-n(P)×Ei(P)(4)式中，Ei代表入射电场，Es代表散射场；由式(4)得对应的三个方程：将式(5)变换为：式中，分别代表入射电场在x轴、y轴、z轴方向上的分量，分别代表波函数在x轴、y轴、z轴方向上的分量；将电场u(x,y,z)通过形函数u(x,y,z)＝Φ(x,y,z)US(x,y,z)展开，US(x,y,z)为待求的电场系数,Φ(x,y,z)＝[Φ1(x,y,z),Φ2(x,y,z),...,ΦN(x,y,z)]为形函数，N为支撑域内离散节点的个数，上式可表示成如下形式：其中，US,x(x,y,z)、US,y(x,y,z)、US,z(x,y,z)为待求的电场系数在x轴、y轴、z轴方向上的分量；式(7)中的三个方程并不是相互独立的，其系数矩阵的秩为2，没有定解，只有加上Maxwell的散度方程，才可构成系数矩阵秩为3的线性方程组，解具有唯一性。将对应的抛物线方程代入，P点本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种腔体含介质目标电磁散射混合分析方法，其特征在于，步骤如下：步骤1、将含腔目标的腔体部分填充为实心的金属，建立填充后目标的离散模型，确定抛物线方程的轴向方向作为x轴，在x轴方向使用CN差分格式获取相邻两个切面间的关系，在y轴、z轴方向均采用RPIM构造形函数及空间导数，并且引入散射体边界条件，构造出矩阵方程；步骤2、依次对各个切面上的节点电场值进行递推求解，通过不断更新边界点的信息以及方程的右边向量求解下一个切面上各个离散节点处的电场值；步骤3、对最后一个切面的电场值进行修正，求解最后一个切面的矩阵方程，得到离散节点处的电场值，并将该电场值进行相位的修正；步骤4、将目标中腔体部分单独用体面积分方程进行求解，将腔体中金属面和介质体离散得到的子散射体分组，根据任意两个子散射体所在组的位置关系采用不同的方法计算阻抗矩阵元素，采用快速多级子方法求解出腔体中金属表面的感应电流和介质内体极化电流；所述采用快速多级子方法求解出腔体中金属表面的感应电流和介质内体极化电流，具体过程如下：步骤4.1、将腔体的金属部分用表面三角形进行剖分，得到每个三角形单元的编号、点的坐标、法向向量；介质部分用四面体进行剖分，得到每个四面体的编号、四面体的顶点坐标、四个面的单位法向量；步骤4.2、运用体面积分方程，作伽辽金测试，并用快速多级子技术加速求解过程，求出腔体中金属表面的感应电流和介质内体极化电流；步骤5、由含腔目标腔体中金属表面的感应电流和介质内体极化电流求出腔体开口面上抛物线方程所需各个离散点的电场场值；步骤6、对最后一个切面上的电场进行后处理，将步骤5所得的腔体开口面上的电场替换掉步骤3所得的原目标腔体开口处的电场，对所得的近场电场值进行近远场转换求解雷达散射截面积。...

【技术特征摘要】
1.一种腔体含介质目标电磁散射混合分析方法，其特征在于，步骤如下：步骤1、将含腔目标的腔体部分填充为实心的金属，建立填充后目标的离散模型，确定抛物线方程的轴向方向作为x轴，在x轴方向使用CN差分格式获取相邻两个切面间的关系，在y轴、z轴方向均采用RPIM构造形函数及空间导数，并且引入散射体边界条件，构造出矩阵方程；步骤2、依次对各个切面上的节点电场值进行递推求解，通过不断更新边界点的信息以及方程的右边向量求解下一个切面上各个离散节点处的电场值；步骤3、对最后一个切面的电场值进行修正，求解最后一个切面的矩阵方程，得到离散节点处的电场值，并将该电场值进行相位的修正；步骤4、将目标中腔体部分单独用体面积分方程进行求解，将腔体中金属面和介质体离散得到的子散射体分组，根据任意两个子散射体所在组的位置关系采用不同的方法计算阻抗矩阵元素，采用快速多级子方法求解出腔体中金属表面的感应电流和介质内体极化电流；所述采用快速多级子方法求解出腔体中金属表面的感应电流和介质内体极化电流，具体过程如下：步骤4.1、将腔体的金属部分用表面三角形进行剖分，得到每个三角形单元的编号、点的坐标、法向向量；介质部分用四面体进行剖分，得到每个四面体的编号、四面体的顶点坐标、四个面的单位法向量；步骤4.2、运用体面积分方程，作伽辽金测试，并用快速多级子技术加速求解过程，求出腔体中金属表面的感应电流和介质内体极化电流；步骤5、由含腔目标腔体中金属表面的感应电流和介质内体极化电流求出腔体开口面上抛物线方程所需各个离散点的电场场值；步骤6、对最后一个切面上的电场进行后处理，将步骤5所得的腔体开口面上的电场替换掉步骤3所得的原目标腔体开口处的电场，对所得的近场电场值进行近远场转换求解雷达散射截面积。2.根据权利要求1所述腔体含介质目标电磁散射混合分析方法，其特征在于，步骤1中所述构造矩阵方程，具体包括以下步骤：步骤1.1、将含腔目标的腔体部分填充为实心的金属，将得到的金属散射目标进行正方体网格离散，形成若干个垂直于x轴方向的切面，并找出每个切面上实心金属散射目标的边界点；步骤1.2、根据目标的几何关系，确定填充后散射目标内部的离散节点、边界上的离散节点、空气层的离散节点以及PML层对应的离散节点；步骤1.3、确定抛物线方程的轴向方向作为x轴，在三维情况下，标准矢量抛物线方程表示为：式中，分别为波函数在x轴、y轴、z轴方向的分量，分别为电场在x轴、y轴、z轴方向的分量，k为波数，i为虚数；在PML媒质中，矢量抛物线方程表示为：式中，σ()代表电损耗的函数，σ0代表电损耗的系数，δ代表趋肤深度的...

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