介质金属复合目标的电磁散射高效建模

为解决各向异性介质与金属复合目标电磁散射计算困难等问题,提出了一种高效的混合算法,用于模拟各向异性介质涂覆复杂目标的电磁散射。该方法基于阻抗边界条件,通过表面阻抗向量来描述介质的电磁特性,充分发挥了低频矩量法(Method of Moments,MoM)和高频物理光学法(Physical Optics,PO)的各自优势,以实现对介质金属复合目标进行高精度和快速的电磁仿真。通过采用阻抗边界条件(Impedance Boundary Conditions,IBC)和等效原理,研究将薄层介质涂覆目标的电磁散射问题等效为阻抗面上等效电磁流的辐射问题,从而实现了对各向异性介质涂覆复杂目标雷达截面(Radar Cross Section,RCS)的高精度快速计算。为了验证算法性能,选取了方形平板、简化飞行器及复杂卫星模型进行仿真测试。经过对比分析,所提算法的仿真结果与数值解之间的均方根误差分别为0.82 dB、1.56 dB和2.64 dB,均优于3 dB的工程应用标准误差。此外,该算法在计算消耗内存和计算时长等计算资源方面实现了超过50%的显著提升,充分验证了其准确性和实用价值。

横向沙丘表面与上方矩形截面柱复合电磁散射的FDTD研究

分别使用指数型分布和高斯型分布表示沙漠表面的高度起伏状况,采用蒙特卡罗方法模拟横向沙丘表面和沙丘与沙丘间平坦沙漠表面,运用Herkelrath提出的土壤湿度与介电常数的通用式计算沙土的介电常数,选用FDTD数值计算方法分析高度起伏均方根、入射角度、目标长度、目标宽度、目标高度、横向沙丘的高度和横向沙丘迎风坡坡底到坡顶的水平距离的变化对散射系数的影响,得到横向沙丘表面与上方目标的复合电磁散射特性。分析了粗糙面为指数型分布和高斯型分布时散射系数的角分布曲线的不同之处。

陆地上方多目标复合电磁散射特性研究

针对多个三维导体目标位于陆地粗糙面上方的散射计算问题,提出了自适应积分算法结合物理光学法的AIM-PO混合算法。采用物理光学法计算粗糙面散射,采用自适应积分算法计算目标散射。粗糙面的散射将作为目标阻抗矩阵的一部分,目标与粗糙面作为一个整体进行求解。求解过程中,最主要的计算瓶颈来自于目标与粗糙面之间的耦合矩阵填充。为了克服此计算瓶颈,提出了采用快速多极子结合快速远场近似算法加速矩阵向量相乘。该方法基于远场近似准则将粗糙面区域划分为近区与远区,即粗糙面上面元与目标之间的距离满足远场近似条件的被划分为远区,否则被划分为近区。近区采用快速多级子进行加速,而远区采用快速远场近似技术加速计算。通过与传统的数值算法相对比,验证结果表明该算法具有较高的计算精度,同时能有效提升计算效率。最后对不同条件下多目标与环境复合散射特性的变化规律进行了分析。

介质粗糙面与组合目标宽带电磁散射特性研究

文中对介质粗糙面和组合目标的宽带复合电磁散射特性进行研究,通过数值计算得到了复合散射系数频率响应曲线。分析结果显示,后向复合散射系数在宽频带范围内随着频率的变化而产生振荡,粗糙面的高度均方根、介电常数、组合目标尺度、目标介电常数等因素对复合散射系数有显著的影响,且影响规律较为复杂。相比之下,粗糙面的相关长度对复合散射系数的影响较为微弱。当目标是理想导体时,频率响应曲线近似呈现出准周期性的振荡形态。

目标电磁散射特性研究的若干热点和难点问题

尽管国内外在目标电磁散射特性研究领域取得了很大进展,但是从技术本身来说该专业领域仍然存在一些难点问题.同时,复杂环境下低散射目标的探测与识别等应用,以及太赫兹等新体制雷达的研发对目标电磁散射特性研究提出了新的需求、引入了新的问题.围绕这些应用需求和技术难点,本文从理论建模、散射测量和特征提取三个方面,归纳总结了目标电磁散射特性研究存在的若干热点和难点问题,期望为从事该方面研究的科研人员提供方向性的引导.

土壤表面与运动目标复合电磁散射的矩量法研究

为了满足土壤表面上方雷达目标检测、识别和分类等的需要,采用空间域合成法生成高度起伏遵守Alpha-stable分布的土壤表面,选用Topp模型模拟土壤的介电常数,运用矩量法研究了锥形波入射条件下土壤与其上方运动的三角形截面柱的复合电磁散射问题,通过数值计算得到了复合散射系数随散射角的变化曲线,分析了等边三角形和不规则三角形截面柱在土壤表面上方横向平移、纵向平移、转动以及电磁波入射角对复合散射系数的影响。数值计算结果表明:复合散射系数随散射角振荡地变化,等边三角形截面柱的纵向平移和转动对复合散射系数有较大的影响,而横向平移对复合散射系数的影响很小;不规则三角形截面柱的横向平移和纵向平移对复合散射系数产生的影响很小,转动对复合散射系数的影响较大。有关结果可为民用、军用领域工程问题提供理论依据和实践方法。

乳化油覆盖海面的后向电磁散射特性研究

本文利用几何光学近似法,结合改进的局部平衡抑制比模型,并根据简化的双层粗糙面的反射系数,建立了乳化油覆盖海面的后向散射模型。基于该散射模型,研究了小入射角下,乳化油覆盖海面的后向散射特征,讨论了不同含水率下,后向散射系数随频率和油膜厚度的变化关系,以及散射系数对含水率的敏感性。结果表明:在微波波段,和非乳化油类似,乳化油覆盖海面的后向散射系数对油厚不敏感。而太赫兹波段,低含水率条件下,散射系数随油膜厚度和频率变化而振荡,且当频率增大时,散射系数振荡幅度减小。而含水率增大时,散射系数随油厚和频率的振荡幅度也逐渐减小。在微波波段和太赫兹波段范围内,对于频率较高的太赫兹波而言,其散射系数只对低含水率的乳化油具有较高的含水率敏感性;而对于频率较低的微波,其散射系数对含水率较高的乳化油也有较高的含水率敏感性。

空中目标动态电磁散射数据仿真系统设计与实现

电磁散射数据是目标识别研究的基础,但由于试验测量成本高、可重复性差等问题,空中目标电磁散射实测数据十分有限。基于去遮挡的N点模型和电磁计算数据插值研究了空中目标动态电磁散射数据仿真方法,设计了空中目标动态电磁数据仿真系统,该系统将电磁散射仿真与实际飞行场景相结合,支持场景自定义和空中目标三维模型库扩展。分析了飞机和巡航导弹2类目标仿真数据及成像结果,结果验证了仿真方法正确性和系统有效性,可为研究实际场景下的空中目标识别提供支撑。

基于电磁散射模型的海上舰船双基SAR图像仿真

合成孔径雷达(synthetic aperture radar,SAR)在地海环境遥感和目标探测识别中发挥着重要作用。相对于单基SAR,双基SAR能够通过调整发射机和接收机的角度对场景进行多方位观测,因此开展海上舰船目标双基SAR图像仿真可为非合作目标的特征研究和探测识别提供方法和手段,在目标探测识别方面有着重要意义。为此,本文利用基于面元化的简化小斜率近似(facet-based simplified small slope approximation,FBS-SSA)方法与几何光学/物理光学(geometrical optics/physical optics,GO/PO)混合方法,提出了一种基于电磁散射模型的海上舰船目标复合场景双基SAR图像仿真方法,实现了不同双基角下的海上舰船SAR图像仿真,并分析了雷达飞行方向与舰船角度、发射机和接收机相对位置、极化、海况对雷达图像的影响。结果表明,双基角、极化、舰船朝向都会对双基SAR图像产生较大的影响,因此可以通过获取不同双基角度下的复合场景SAR图像特征从而可以更好地开展舰船识别。此外,SAR图像中的阴影特征也可作为舰船识别的辅助手段。

冻结土壤表面等边三角形截面柱运动目标复合电磁散射特性研究

针对高寒地区冻结土壤表面运动目标雷达回波特性的研究需求,采用介电常数混合模型模拟冻结土壤的介电常数,应用空间域合成法模拟表面起伏遵守alpha-stable分布的冻结土壤表面,运用矩量法研究了入射波为锥形波时在冻结土壤表面上横向翻滚的等边三角形截面柱运动目标的复合散射问题,仿真了复合散射系数随散射角变化的曲线。数值计算结果表明,在三角形截面柱作复杂翻滚运动时,目标自身旋转对复合散射系数的影响最大,目标重心纵向振荡对复合散射系数的影响较大,而水平移动对复合散射系数的影响较小,同时考虑冻结土壤特性对复合散射特性的影响,入射波频率影响较大且入射波频率与复合散射系数呈负相关,土壤温度对复合散射系数影响较小且土壤温度与复合散射系数呈正相关,土壤质地对复合散射系数影响显著,取决于不同土壤质地自身电特性。理论上进一步推广了目标与特殊地物背景复合电磁散射计算方法,复合散射特性在诸多实践中又可提供必要的理论依据和可靠的数据支撑。

不确定参数目标电磁散射特性计算及评估

针对非合作目标信息不完备,以及由于制作工艺、环境因素、人为因素等原因导致的目标几何外形、材料属性等不确定性现状,首先,介绍了基于泰勒级数展开的不确定性目标电磁散射特性分析方法。运用非均匀有理B样条(nonuniform rational B-spline surface,NURBS)建模方法,实现任意形状目标的外形构建;运用目标外形参数、介质参数提取技术,建立目标几何外形、介电参数与矩量法电磁积分方程的函数关系,由此计算出由外形、介质变化产生的电流变化量,进而分析几何外形、介质引入随机变量时,金属/介质/混合目标的电磁散射特性。其次,提出了一种基于渐近波形估计(asymptotic waveform evaluation,AWE)技术的高维不确定性目标电磁散射特性分析方法。通过伪谱法求解各阶导数,相较于公式求导能够节省大量推导和计算时间;运用Padé近似计算目标改变之后的最终电流,相较于基于泰勒级数展开的求解方法,能够准确计算更大的随机扰动量,相较于蒙特卡洛(Monte Carlo,MC)方法,提高了计算效率,且仿真与实测结果吻合一致。最后,利用反向传播(back propagation,BP)神经网络实现对不确定性目标散射特性的置信度和不确定度的智能化计算,证明了本文方法不仅能够准确有效地分析非合作目标的高维不确定性问题,而且大幅提高了计算效率。

基于修正电磁散射系数的距离频域脉冲相干法SAR回波仿真

针对传统合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)回波仿真方法无法同时满足仿真精度高、速度快的缺点,设计了一种利用距离历程修正电磁散射系数的距离频域脉冲相干法(Range Frequency Domain Pulse Coherence,RFPC)目标回波仿真方案。该方案在离散方位采样点处采用物理光学法计算关于目标电磁散射特性的二维电磁散射系数,利用天线相位中心与目标间的距离历程修正电磁散射系数的相位,根据脉冲信号3 dB波束宽度修正电磁散射系数的幅度,利用RFPC在距离频域进行目标电磁散射系数与SAR发射信号的乘积处理,获取目标的二维回波信号,采用RD成像算法进行成像处理得到目标的SAR仿真图像。利用该方案分别对金属球和舰船模型进行了回波仿真试验,并与RaySAR的仿真结果进行对比,验证了该方案的精确性与高效性。

水平界面上方球体的电磁散射

研究水平界面上方球体的电磁散射可以为诸多应用提供一个合适的理论模型,为此本文提出了一种精确求解此电磁散射问题的半解析方法。该方法应用适当的球矢量波函数来展开球体的散射场和内场,并且考虑到球体与水平界面之间的耦合散射,应用了球和圆柱矢量波函数之间的转换关系。水平界面对入射电磁波的反射场和球体的散射场均采用投影法计算。以平面波、高斯波束和拉盖尔-高斯波束照射硅基底上方的聚苯乙烯球为例,计算了归一化的微分散射截面。数值结果表明对于入射的平面波和高斯波束在反射波方向附近散射最强,另外随着球体离水平界面距离的增加而前向散射变大。

基于PO-PTD优化方法的厢式车辆电磁散射特性研究

电大尺寸和复杂目标电磁散射特性快速精准计算分析方法是提升目标特征信息提取能力的重要手段。车辆目标的散射场主要源于反射和绕射的综合作用,因此采用物理绕射理论(physical theory of diffraction,PTD)引入棱边绕射效应,改进物理光学(physical optics,PO)方法,从而建立电大尺寸和复杂目标电磁散射模型的PO-PTD混合型高频近似优化计算方法,以提升目标特征信息提取能力。进而,基于PO-PTD优化方法分析电大尺寸厢式车辆目标的电磁散射问题,研究其雷达散射截面积(radar cross section,RCS)周向分布特征对频率与擦地角的响应特性。车辆各方位的电磁散射特性与其对应的结构形状有密切关系,涉及大平面镜面反射、二面角反射、边缘绕射等多重效应。车辆RCS分布曲线形态随着擦地角增大而呈现先扩张后缩减的变化,并随着频率增大呈现缩减态势。车辆前向车头与后向车尾对擦地角变化最为敏感,是影响RCS曲线形态变化的主导因素。本研究可为电大尺寸和复杂目标电磁散射特性评估与控制技术提供关键的技术基础。

典型结构缺陷的局部电磁散射特性测试流程研究

根据相关信息统计,飞机的典型损伤类型有缝隙、台阶、吸波材料脱落等,这些损伤都会对飞机的电磁散射特性产生较大的影响。为厘清并验证飞机发生典型损伤后的局部电磁散射特性检测与评估流程,本文通过模拟飞机的结构缝隙缺陷,采用专用电磁散射评估系统对缝隙缺陷进行快速测试、评估性能,并优化测试流程以得到高置信度的评估结果。通过研究能够获得科学有效的结构缺陷对飞机局部电磁散射性能的测试与评估流程,为飞机设计和优化提供一定的指导。

基于逆向建模技术的舰船电磁散射特性研究

军用舰船的低散射设计作为从根源上应对雷达探测的手段,其设计原理及各频段电磁散射特性值得研究。本文通过逆向建模手段建立可用于电磁仿真的非合作舰船CAD模型,并利用针对超电大目标的高频渐近算法对模型进行仿真分析,获取了该型舰船较高置信度的电磁散射信息。仿真结果表明,该舰船在雷达隐身设计的加持下,各波段在主要威胁角域下的RCS算术均值小于11 dB,低散射性能优异。基于本文的仿真研究,一是能够对外军舰船隐身设计水平进行初步了解,二是可通过逆向建模探索低散射舰船的设计难点,为我国隐身舰船设计及电磁仿真提供可行思路,具有实用价值和军事意义。

吸波涂层对直升机旋翼电磁散射特性影响研究

基于几何光学、物理光学和等效电磁流的雷达散射截面(RCS)高频近似算法,联合傅里叶变换提取和分析了涂覆雷达吸波材料旋翼的动态电磁散射特性,重点研究了涂层位置、涂层厚度以及电磁频率等因素变化对旋翼动态电磁散射特性的影响。结果表明:在旋翼表面添加吸波涂层能够有效减缩旋翼的时域动态RCS和频域分量幅值,并且吸波材料的涂覆位置决定了频域上分量幅值降低的频带范围,通过RCS的频谱特征能够判断出旋翼表面何处存在吸波涂层;吸波涂层的厚度和所处的电磁环境,均会影响涂层的吸波效果,根据重量指标、作战任务等需求合理制定旋翼的涂覆吸波材料方案,针对性降低旋翼特定部位的散射强度,能够干扰旋翼时域和频域的动态电磁散射特性,更好地发挥吸波涂层提升旋翼雷达隐身性的能力。

目标近场电磁散射中心建模与特征参数反演

为了通过较少散射场数据实现雷达目标特性建模和参数反演,提出了一种基于时频图多普勒特征的散射中心建模和特征参数反演方法,采用单频点下的一维角度近场扫描数据实现对目标二维散射中心的提取。通过平滑伪Wigner-Ville分布(smooth and pseudo Wigner-Ville distribution,SPWVD)分析方法生成高分辨率时频图,根据不同类型散射中心的多普勒特征,通过Radon逆变换(inverse Radon transform,IRT)提取散射中心模型的位置和幅度参数,并将提取的散射中心位置参数与几何模型参数、散射中心模型重构雷达散射截面积(RCS)与仿真的RCS进行了性能对比。结果表明:该方法只需要单频点的一维角度扫描数据,即可有效提取目标散射中心位置和幅度等特征参数,且重构RCS的均方根误差小于3 dBsm。

结合三维电磁散射模型和深度学习的SAR目标识别框架设计

不断提高合成孔径雷达(SAR)图像目标识别能力对于全天时、全天候战场情报侦察具有重要意义。近年来,深度学习模型在SAR目标识别领域得到了广泛应用和验证,但由于SAR图像样本往往十分有限,模型的适应性受到一定制约。提出结合三维电磁散射模型和深度学习的SAR目标识别框架,充分运用三维电磁散射模型在目标SAR数据生成以及物理属性描述方面的优势,提升深度学习模型的分类可靠性和适应性。

分形土壤面与上方复杂目标复合电磁散射的MOM研究

基于复合散射研究在实际应用中的价值,实际的沙壤土面采用一维带限Weierstrass分形模型模拟,用导弹模型作为其上方目标,在TM波入射时,运用矩量法分别讨论土壤面的高度起伏均方根(δ)、湿度(mv)、分维数(D),目标的横纵向尺寸(l、d)与目标的高度(H)及入射波的频率(f)对复合散射特性的影响,通过数值计算得到每种情况对应的复合电磁散射系数(σ)的散射角(θs)分布.结果表明:对σ有明显影响的因素有δ、mv、H以及f,而对其影响较小的因素有D、l、d.