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        基于POPTD優(yōu)化方法的廂式車輛電磁散射特性研究

        2024-01-18 00:00:00王龍汪劉應(yīng)劉顧葛超群張穎王文豪胡靈杰陳海青

        關(guān)鍵詞:電磁散射特性;車輛目標(biāo);物理光學(xué);物理繞射;響應(yīng)特性

        中圖分類號(hào):TN011 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A DOI:10.12305/j.issn.1001-506X.2024.12.07

        0引言

        目標(biāo)電磁散射特性分析是提高目標(biāo)特征信息獲取與控制能力的關(guān)鍵技術(shù),通常采用理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)試兩類方法,可為雷達(dá)探測(cè)識(shí)別、精確制導(dǎo)、隱身外形設(shè)計(jì)等研究領(lǐng)域提供重要的技術(shù)支撐。遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量、緊縮場(chǎng)、近場(chǎng)外推等實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法[14]是最直接的獲取方式,但這些方法成本高昂,測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng),且不適用于目標(biāo)特性高效設(shè)計(jì),通常主要用于驗(yàn)證理論模型和數(shù)值仿真的準(zhǔn)確性與可靠性。理論計(jì)算具備成本低、靈活性高、研制周期短、精度高等優(yōu)勢(shì),成為研究目標(biāo)電磁散射特性的一條重要途徑。目標(biāo)電磁散射特性理論計(jì)算可分為低頻方法與高頻近似方法。矩量法(methodofmoments,MOM)、時(shí)域有限差分(finitediffer-encetimedomain,FDTD)法、有限元法(finiteelementmethod,FEM)、多層快速多極子算法(multilevelfastmul-tipolealgorithm,MLFMA)等低頻方法[510]計(jì)算精度高,但計(jì)算復(fù)雜、耗時(shí)嚴(yán)重且算力需求大,一般僅用于電小尺寸目標(biāo)的電磁散射問題。事實(shí)上,車輛、艦船、飛機(jī)等目標(biāo)具有尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn),因此研究如何利用高頻漸近法快速、準(zhǔn)確地預(yù)估目標(biāo)的電磁散射特性變得尤為重要。電磁波與電大尺寸目標(biāo)的相互作用可近似為高頻散射場(chǎng)“局部”特性相互疊加的多散射中心理論模型,因此物理光學(xué)(physicaloptics,PO)法、彈跳射線(shootingandbouncingray,SBR)法等高頻近似方法[1115]成為電大尺寸目標(biāo)電磁散射特性的高效計(jì)算手段。Qi等[16]提出一種PO-SBR 方法解決電磁近場(chǎng)散射單靜態(tài)和雙靜態(tài)的問題,通過目標(biāo)面的局部擴(kuò)展有效降低計(jì)算復(fù)雜度。此外,針對(duì)PO方法不能處理邊緣、尖頂、拐角等不連續(xù)部位電磁波繞射的瓶頸,Ufimtsev[17]提出物理繞射理論(physicaltheoryofdiffraction,PTD),便于計(jì)算邊緣繞射效應(yīng)對(duì)雷達(dá)散射特性的貢獻(xiàn)度。但是,單一的計(jì)算方法在精度和計(jì)算效率上仍難滿足需要,Chai等[18]、Li等[19]分別以基于SBR-PTD和等效電流近似的混合方法對(duì)電大目標(biāo)的電磁散射特性進(jìn)行預(yù)測(cè),顯著提升了計(jì)算準(zhǔn)確性和速度。為了進(jìn)一步提升計(jì)算速度,Dong等[2021]基于幾何光學(xué)(geometricaloptics,GO)-PO/PTD 混合方法引入毛細(xì)管波修正面散射模型的加速算法,為寬帶合成孔徑雷達(dá)散射回波模擬提供了新思路,而后又提出基于二尺度劃分法的改進(jìn)光線追蹤方法,極大提升算法精度。然而,目前的理論計(jì)算方法大都僅限于簡(jiǎn)易形狀的理想導(dǎo)體目標(biāo),對(duì)于電大尺寸復(fù)雜目標(biāo)的電磁建模與精確仿真依然是一項(xiàng)難題,并不能滿足電磁特性評(píng)估、設(shè)計(jì)與驗(yàn)證的需求[2226]。

        車輛是最為常見的電大尺寸地面目標(biāo),而且其電磁散射特性涵蓋直接反射、多次反射、邊緣繞射等多元要素綜合影響,難以采用單一理論計(jì)算方法精確分析。因此,引入棱邊繞射理論修正PO 方法,融合棱邊結(jié)構(gòu)對(duì)電磁散射特性的貢獻(xiàn),構(gòu)建基于PO-PTD 混合的電大尺寸復(fù)雜車輛目標(biāo)電磁散射特性高效、精確的計(jì)算分析方法,并探究不同狀態(tài)(極化、頻率、擦地角不同)的雷達(dá)電磁波對(duì)廂式車輛目標(biāo)后向雷達(dá)散射截面(radarcrosssection,RCS)的影響機(jī)制。

        該研究可為電大尺寸復(fù)雜目標(biāo)電磁散射特性評(píng)估與控制技術(shù)提供一定的理論基礎(chǔ)與應(yīng)用價(jià)值。

        1基于PO-PTD的電磁散射特性計(jì)算分析方法

        1.1電磁散射特性計(jì)算方法

        電大尺寸復(fù)雜目標(biāo)散射場(chǎng)包括反射場(chǎng)和繞射場(chǎng),通常存在鏡面反射、邊緣繞射、尖頂繞射、爬行波繞射等現(xiàn)象,其中鏡面反射和邊緣繞射起主要作用。高頻算法是對(duì)低頻精確算法的近似,忽略了目標(biāo)局部結(jié)構(gòu)之間的散射弱耦合作用,具備相對(duì)高效的計(jì)算速度,更能滿足電大尺寸目標(biāo)的電磁散射特性分析。PO 方法根據(jù)高頻散射的局部性原理以及入射電磁場(chǎng)直接計(jì)算目標(biāo)表面感應(yīng)電流,進(jìn)而求解目標(biāo)體的RCS。PO 方法計(jì)算目標(biāo)表面感應(yīng)電流存在3 項(xiàng)假設(shè)條件[27]:① 亮區(qū)才產(chǎn)生感應(yīng)電流;② 切平面近似原理;③局部性原理。這3項(xiàng)假設(shè)條件大大簡(jiǎn)化了RCS 的求解方法,計(jì)算過程相對(duì)簡(jiǎn)單,對(duì)算力需求低,計(jì)算效率高,并便于與PTD等其他方法結(jié)合擴(kuò)展,可求解尺寸更大、結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的目標(biāo)。

        圖1為封閉目標(biāo)表面S的散射場(chǎng)示意圖。

        1.2電磁散射特性計(jì)算方法

        為了驗(yàn)證將POPTD 優(yōu)化方法用于目標(biāo)電磁散射特性仿真分析的準(zhǔn)確性,構(gòu)建邊長(zhǎng)為1 m 的金屬立方體塊標(biāo)準(zhǔn)模型,如圖3 所示。以入射波頻率為2GHz、擦地角為45°、水平水平(horizontalhorizontal,HH)極化方式、方位角0°~360°進(jìn)行電磁散射特性仿真計(jì)算,并采用商用電磁仿真軟件FEKO 的MOM 進(jìn)行電磁仿真對(duì)比。其中,擦地角為雷達(dá)波入射方向與地平面之間的夾角;方位角為由目標(biāo)所在坐標(biāo)系狓軸出發(fā)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)到位置點(diǎn)所在線段的角度。如圖4 所示,PO-PTD 方法與MOM 低頻精確方法的仿真結(jié)果基本一致,充分證實(shí)PO-PTD 混合求解方法具有很好的電磁計(jì)算精度。然而,盡管PO 與MOM 兩種方法的仿真結(jié)果曲線波動(dòng)變化規(guī)律同步且散射波峰幅值相近,但兩種方法在散射波谷的幅值卻差異很大,這也充分說明邊緣繞射效應(yīng)對(duì)RCS存在不可忽視的顯著影響。此外,PO、PO-PTD、MOM3 種算法在0°、90°、180°、270°4 個(gè)方位的RCS值呈現(xiàn)極大峰值且數(shù)值相同,這是因?yàn)檫@些方位完全為鏡面反射且作用面積相等。

        2廂式車輛電磁散射特性研究

        2.1廂式車輛電磁模型

        采用Python語(yǔ)言作為主要開發(fā)語(yǔ)言,以gmsh和pythonocc作為建模、網(wǎng)格剖分工具,開發(fā)一套基于PO-PTD優(yōu)化方法的電磁散射特性計(jì)算程序。電大尺寸復(fù)雜廂式車輛的電磁模型如圖5 所示,車輛的長(zhǎng)、寬、高尺寸為16.35 m×3.552m×3.56m。地面車輛目標(biāo)通常面臨空天平臺(tái)搭載雷達(dá)探測(cè)器的電磁波涵蓋S~Ka多波段的特性與20°~70°擦地角的偵測(cè)。因此,將入射電磁波頻率設(shè)定為2 GHz、4GHz、8GHz、12GHz、16GHz、32GHz、40GHz等主要頻率,將擦地角設(shè)定為30°、45°、60°。同時(shí),著重分析廂式車輛模型車頭前向30°角域345°~15°(標(biāo)記為F-30)、車尾后向30°角域165°~195°(標(biāo)記為B-30)的散射特性,兼顧車身側(cè)向60°角域60°~120°(標(biāo)記為L-60)、周向0°~360°(標(biāo)記為W-360)角域的電磁散射特性。通過分析這些特定角域內(nèi)的RCS算術(shù)均值來量化表征其電磁散射幅度強(qiáng)弱。

        2.2車輛電磁散射分布特征

        當(dāng)入射電磁波頻率分別為2GHz、12GHz,且擦地角分別為30°、45°時(shí),獲取的廂式車輛RCS在0°~360°方位角的布局特征如圖6所示。

        可見,在極化方式為HH 和垂直垂直(vertical-vertical,VV)極化時(shí),廂式車輛RCS曲線周向分布規(guī)律具有高度相似性,整個(gè)曲線波峰、波谷變化的寬度、位置、幅值等特征差異性較小。

        在入射電磁波頻率為2GHz且擦地角為30°時(shí),如圖6(a)所示,廂式車輛RCS曲線整體呈現(xiàn)出“橢圓形”分布特征,且前向、后向結(jié)構(gòu)部件的鏡面散射作用相對(duì)較弱,RCS周向分布的幅值偏?。ù蠖荚冢保埃洌拢螅?以內(nèi)),雖有較高頻的震蕩,但并未形成尖銳的波峰。這是因?yàn)橐暂^小擦地角姿態(tài)入射時(shí),由電磁波照射目標(biāo)表面產(chǎn)生鏡面反射的散射貢獻(xiàn)整體較弱。同時(shí),側(cè)向角域內(nèi)散射特性相對(duì)更顯著,這源于側(cè)向廂體具備大平面反射作用。在入射電磁波頻率為12GHz且擦地角為45°時(shí),如圖6(b)所示,車輛RCS曲線在“十字”對(duì)角線0°、90°、180°、270°方位附近產(chǎn)生較寬的散射波峰,RCS幅值較高(>20dBsm),導(dǎo)致RCS 曲線整體呈現(xiàn)“菱形”分布,其中前向角域內(nèi)波峰源于車頭駕駛艙的鏡面散射、二面角散射等綜合貢獻(xiàn),而尾向與側(cè)向角域內(nèi)波峰源于大平面的鏡面散射貢獻(xiàn),能產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁散射能量,所以RCS值較大。此外,在45°、150°、210°、315°等特定方位時(shí),車輛棱邊結(jié)構(gòu)的尖頂散射、邊緣繞射起主要作用,而鏡面反射對(duì)散射貢獻(xiàn)較少,進(jìn)而導(dǎo)致RCS 曲線內(nèi)陷,形成弱散射波谷現(xiàn)象??傮w而言,由于廂式車輛電磁散射周向分布特征對(duì)入射電磁波的頻率與擦地角兩個(gè)維度都具備較強(qiáng)的敏感性,從而導(dǎo)致了圖6(a)與圖6(b)之間存在較大差異,因此不同狀態(tài)(頻率、擦地角)的入射電磁波對(duì)廂式車輛RCS的內(nèi)在影響機(jī)制非常值得進(jìn)一步深入研究。

        2.3車輛電磁散射對(duì)擦地角的響應(yīng)特性

        空天平臺(tái)搭載的雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)通常以20°~70°擦地角姿態(tài)探測(cè)地面目標(biāo),因此有必要研究不同擦地角對(duì)車輛目標(biāo)電磁散射特性的影響機(jī)制。當(dāng)入射電磁波頻率為12 GHz且極化方式為HH時(shí),車輛RCS周向分布曲線及其不同角域RCS均值隨擦地角的變化如圖7所示。

        車輛RCS曲線的變化規(guī)律如圖7(a)所示,當(dāng)擦地角為30°時(shí),車輛前向與后向兩角域的電磁散射波峰相對(duì)較窄、較弱,且RCS值均處于較低水平。相反,側(cè)向區(qū)域的電磁散射相對(duì)更明顯。當(dāng)擦地角增大至45°時(shí),車輛RCS 曲線整體向外擴(kuò)張,波峰與波谷處的幅值變化最為劇烈,且暴露的RCS特征變得最為顯著。特別地,前向車頭、后向車尾兩角域內(nèi)的波峰對(duì)擦地角變化最為敏感,波峰的寬度和幅值均顯著增大。其次,在側(cè)向90°、270°方位附近的峰值也明顯尖銳化。這是因?yàn)檐囕v表面的鏡面散射與二面角反射作用效應(yīng)顯著增強(qiáng),導(dǎo)致其周向外形特征發(fā)生改變。當(dāng)擦地角進(jìn)一步增大至60°時(shí),車輛RCS曲線整體又向內(nèi)收縮,各向區(qū)域的波峰頻段變窄且幅值變小,使得RCS 特征發(fā)生縮減。此時(shí),盡管前向、后向的散射波峰依舊最為突出,但相對(duì)于擦地角為45°時(shí)減縮程度也很顯著。進(jìn)一步,分析車輛不同方位角域的RCS均值變化規(guī)律如圖7(b)所示。隨著擦地角的增大,車輛不同角域內(nèi)的RCS均值呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢(shì),其中前向車頭F-30、后向車尾B-30 的變化幅度最為顯著,對(duì)擦地角變化敏感性最強(qiáng)。在擦地角較小時(shí),前向F-30、后向B-30的RCS均值小于側(cè)向L-60與周向W-360,但隨著擦地角的增大,散射增強(qiáng),使得其RCS均值逐漸大于側(cè)向與周向RCS均值,進(jìn)而導(dǎo)致車頭與車尾的RCS曲線波峰漸漸突顯。然后,隨著擦地角的進(jìn)一步增大,前向F-30、后向B-30的RCS均值與側(cè)向L-60、周向W-360RCS均值的差距逐漸減小,進(jìn)而導(dǎo)致RCS曲線周向形狀漸漸均勻而震蕩性幅值變化減弱。顯然,車輛不同方位角域的RCS均值變化能更好地量化體現(xiàn)其電磁散射對(duì)擦地角的響應(yīng)特性。前向車頭與后向車尾對(duì)擦地角的變化最為敏感,直接影響RCS曲線形態(tài)變化,成為影響其電磁散射特性的主導(dǎo)因素。

        2.4車輛電磁散射對(duì)頻率的響應(yīng)特性

        車輛目標(biāo)主要面對(duì)涵蓋S~Ka波段的雷達(dá)電磁波探測(cè),因此有必要分析2~40GHz范圍內(nèi)頻率對(duì)車輛目標(biāo)電磁散射特性的影響機(jī)制。當(dāng)擦地角為30°且極化方式為HH 時(shí),車輛RCS周向分布曲線及其不同角域RCS均值隨頻率的變化如圖8所示。

        隨著頻率的增大,盡管車輛RCS曲線具有震蕩性波動(dòng)變化,但周向分布總體上呈現(xiàn)向內(nèi)收斂縮減趨勢(shì)。在2~12GHz的低頻散射區(qū)內(nèi),如圖8(a)所示,車輛RCS曲線的波峰與波谷隨著頻率變化會(huì)產(chǎn)生顯著的錯(cuò)位變化。然而,在12~40GHz的高頻散射區(qū)內(nèi),如圖8(c)所示,頻率變化卻并不會(huì)引起RCS曲線形態(tài)的較大變化,其波峰位置基本沒有變化,主要對(duì)RCS震蕩幅值大小產(chǎn)生影響。此時(shí),RCS曲線分布形態(tài)主要與車輛布局特點(diǎn)、擦地角有直接關(guān)系。同時(shí),在高頻散射區(qū)內(nèi),隨著頻率的增大,車輛RCS曲線的多數(shù)散射波峰與波谷的寬度變窄而更加尖銳,且波動(dòng)變化幅度更為顯著。在車輛不同方位角域內(nèi),RCS均值隨頻率的變化如圖8(c)所示。隨著頻率增大,車輛不同方位角域內(nèi)的RCS均值總體呈現(xiàn)減小趨勢(shì),尤其周向W-360的單調(diào)性縮減變化,充分說明車輛目標(biāo)隨著頻率增加,更不易于被偵察捕獲。同時(shí),側(cè)向L-60、周向W-360兩角域內(nèi)的RCS均值在各個(gè)頻率上都比前向F-30、后向B-30角域更大,這也證實(shí)了在擦地角較小時(shí),前向車頭與后向車尾部位的電磁散射特性受鏡面散射、邊緣繞射等綜合效應(yīng)影響相對(duì)較弱。

        3結(jié)論

        本文圍繞電大尺寸車輛目標(biāo)的電磁散射問題,開展電磁特性仿真計(jì)算方法、雷達(dá)波與目標(biāo)交互影響機(jī)制等方面研究,為電大尺寸復(fù)雜目標(biāo)電磁散射特性評(píng)估與控制領(lǐng)域提供了技術(shù)方法與理論依據(jù)。具體結(jié)論如下:

        (1)構(gòu)建電大尺寸復(fù)雜目標(biāo)電磁散射模型的PO-PTD混合型高頻近似優(yōu)化計(jì)算方法,融合表面反射和邊緣繞射的共同貢獻(xiàn),利于兼顧提升計(jì)算的效率與精度。同時(shí),采用標(biāo)準(zhǔn)模型與高精度MOM 對(duì)比驗(yàn)證PO-PTD 優(yōu)化方法計(jì)算后向RCS的準(zhǔn)確性、可靠性。

        (2)建立廂式車輛RCS周向分布曲線形態(tài)與結(jié)構(gòu)形狀特征、探測(cè)姿態(tài)之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。當(dāng)擦地角由30°逐漸增長(zhǎng)至45°時(shí),車輛RCS 周向分布曲線由“橢圓形”轉(zhuǎn)變?yōu)椤傲庑巍?。?dāng)擦地角較小時(shí),車輛因表面散射整體較弱,使得RCS周向分布幅值較小且較均勻。當(dāng)擦地角為45°時(shí),前向車頭與后向車尾存在大平面鏡面反射、二面角反射、邊緣繞射等綜合效應(yīng),使其電磁散射對(duì)擦地角變化最為敏感,且側(cè)向車身主要受到大平面鏡面反射作用,能產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁散射能量,導(dǎo)致車輛RCS 曲線在“十字”對(duì)角線0°、90°、180°、270°方位附近產(chǎn)生較寬角域的強(qiáng)散射波峰。同時(shí),在45°、150°、210°、315°等方位的棱邊結(jié)構(gòu)的繞射貢獻(xiàn)遠(yuǎn)大于鏡面反射,導(dǎo)致RCS曲線內(nèi)陷,形成弱散射波谷。

        (3)分析廂式車輛RCS周向分布形態(tài)與不同方位角域RCS均值對(duì)頻率與擦地角的敏感性響應(yīng)規(guī)律。隨著擦地角的增大,車輛不同方位角域內(nèi)RCS均值呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),且車輛RCS 曲線呈現(xiàn)先擴(kuò)張后縮減的變化態(tài)勢(shì)。隨著頻率的增大,車輛不同方位RCS均值逐漸減小,且車輛RCS曲線呈現(xiàn)逐漸縮減態(tài)勢(shì)。

        作者簡(jiǎn)介

        王龍(1989—),男,副教授,博士,主要研究方向?yàn)槟繕?biāo)特性評(píng)估與控制、隱身技術(shù)。

        汪劉應(yīng)(1971—),男,教授,博士,主要研究方向?yàn)槟繕?biāo)特性評(píng)估與控制、隱身技術(shù)。

        劉顧(1982—),男,副教授,博士,主要研究方向?yàn)槟繕?biāo)特性評(píng)估與控制、隱身技術(shù)。

        葛超群(1987—),男,講師,博士,主要研究方向?yàn)槟繕?biāo)特性評(píng)估與控制、隱身技術(shù)。

        張穎(1984—),女,工程師,博士,主要研究方向?yàn)槟繕?biāo)特性評(píng)估與控制。

        王文豪(2000—),男,博士研究生,主要研究方向?yàn)殡[身技術(shù)。

        胡靈杰(2000—),男,博士研究生,主要研究方向?yàn)殡[身技術(shù)。

        陳海青(1988—),男,博士研究生,主要研究方向?yàn)槟繕?biāo)特性評(píng)估與控制。

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