本發(fā)明涉及目標(biāo)電磁散射特性領(lǐng)域，尤其涉及一種基于射線追蹤的金屬介質(zhì)組合目標(biāo)電磁散射計(jì)算方法。
背景技術(shù)：
：金屬介質(zhì)組合目標(biāo)的電磁散射問題的研究在目標(biāo)特性、電磁兼容、雷達(dá)偵測、微波遙感、移動通信等方面有著廣泛的應(yīng)用。在隱身技術(shù)方面，具有吸波效應(yīng)的介質(zhì)材料已被越來越多地用作雷達(dá)吸波結(jié)構(gòu)。采用數(shù)值方法計(jì)算介質(zhì)電磁散射特性精度較高，但面臨未知量數(shù)目巨大、迭代收斂性能較差等難題。對于工程應(yīng)用中的電大尺寸金屬介質(zhì)組合目標(biāo)的散射問題，高頻近似方法的精度通常能夠滿足實(shí)際需要，具有很高的實(shí)用價(jià)值。在檢索到的國內(nèi)外公開及有限范圍發(fā)表的文獻(xiàn)中，有中國專利(CN104750956，發(fā)明名稱：飛行器涂覆超薄吸波材料目標(biāo)的時域回波特性分析方法)將飛行器表面電荷，超薄吸波材料體極化電流以及超薄吸波材料層的上下表面極化電荷在涂覆材料超薄的情況下均用飛行器表面電流密度來高精度近似表示，僅需對飛行器進(jìn)行面網(wǎng)格剖分，整個積分方程只有飛行器表面電流密度一組未知量，從而降低計(jì)算機(jī)的內(nèi)存消耗和求解時間，但其針對飛行器涂覆超薄吸波材料目標(biāo)結(jié)構(gòu)，適用范圍有限。有研究通過阻抗邊界條件將介質(zhì)薄層涂覆導(dǎo)體目標(biāo)等效為無厚度阻抗面，提出了介質(zhì)涂覆三維導(dǎo)電目標(biāo)電磁散射的矩量法(D.F.Yu,S.Y.He,X.Chen,G.Q.ZhuandH.C.Yin,“Simulationofelectromagneticscatteringfor3-DimpedancesurfaceusingMoM-POmethod,”IEEETran.AntennasPropag.,2012,Vol.60,No.8,3988-3991)，但隨著目標(biāo)電尺寸的增大，極大的計(jì)算時間和內(nèi)存需求往往超出計(jì)算機(jī)的承受能力。在高頻近似方法方面，有研究通過修正表面反射系數(shù)實(shí)現(xiàn)介質(zhì)涂覆金屬目標(biāo)的散射計(jì)算(Z.L.LiuandC.F.Wang,“ShootingandbouncingrayandphysicalopticsforpredictingtheEMscatteringofcoatedPECobjects,”2012IEEEAsia-Pacificconferenceonantennasandpropagation,August27-29,2012,Singapore)，但其只適用于涂層較薄的情況，隨著介質(zhì)涂層厚度的增加，計(jì)算精度會下降。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明提供一種基于射線追蹤的金屬介質(zhì)組合目標(biāo)電磁散射計(jì)算方法，基于電磁波的傳播機(jī)理，通過射線追蹤實(shí)現(xiàn)波在介質(zhì)中的傳播與透射精確仿真，提升了不能忽略厚度時介質(zhì)散射問題的計(jì)算精度，兼顧計(jì)算精度與效率，能夠滿足實(shí)際工程中電大尺寸金屬介質(zhì)組合目標(biāo)電磁散射計(jì)算的需求。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種基于射線追蹤的金屬介質(zhì)組合目標(biāo)電磁散射計(jì)算方法，進(jìn)行射線追蹤，記錄射線與目標(biāo)的相交情況，判斷射線與目標(biāo)交點(diǎn)處的目標(biāo)材質(zhì)，如果材質(zhì)為金屬，直接進(jìn)行電磁計(jì)算獲得射線管的散射場，如果材質(zhì)為介質(zhì)，先計(jì)算透射波的傳播矢量，再計(jì)算透射波的反射系數(shù)和透射系數(shù)，最后追蹤透射射線，當(dāng)射線離開目標(biāo)再次進(jìn)入自由空間時，計(jì)算其散射場。所述的進(jìn)行射線追蹤并記錄射線與目標(biāo)的相交情況的步驟包含：定義垂直入射波方向的虛擬孔徑面模擬入射平面波，該虛擬孔徑面要能夠覆蓋目標(biāo)在該平面上的投影區(qū)域；以十分之一波長為邊長的正方形，將虛擬孔徑面劃分為許多射線管，并沿入射波方向從所得射線管向目標(biāo)發(fā)射射線；追蹤每一根射線，記錄其與目標(biāo)的相交情況。針對金屬材質(zhì)進(jìn)行電磁計(jì)算獲得射線管的散射場的步驟包含：使用幾何光學(xué)計(jì)算反射場；進(jìn)行物理光學(xué)積分計(jì)算該射線管的散射場。所述的計(jì)算透射波的傳播矢量的步驟包含：步驟S1、定義計(jì)算中使用的變量；非均勻平面波在兩種有耗介質(zhì)邊界面發(fā)生反射和透射，邊界面為平面，為該邊界面的法向，由介質(zhì)2指向介質(zhì)1；定義有耗介質(zhì)i(i＝1,2)的相對介電常數(shù)和磁導(dǎo)率分別為：εri＝ε′ri-jε″riμri＝μ′ri-jμ″ri(1)在介質(zhì)i中，定義為波的等幅面?zhèn)鞑ナ噶?，為波的等相位面?zhèn)鞑ナ噶?，ξi為與的夾角，ρi為與的夾角，定義ζi＝ξi+ρi；波在介質(zhì)i中的傳播矢量為：γ→i=α→i+jβ→i---(2)]]>步驟S2、計(jì)算介質(zhì)1和介質(zhì)2的固有衰減常數(shù)α01、α02和固有相位常數(shù)β01、β02介質(zhì)i中γ0i=αoi+jβ0i=jk0ϵriμri---(3)]]>其中，k0為自由空間波數(shù)，j表示復(fù)數(shù)的虛部；根據(jù)式(3)，由介質(zhì)1和介質(zhì)2的相對介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，可分別得到α01、β01、α02、β02；步驟S3、計(jì)算波在介質(zhì)1中的衰減常數(shù)α1和相位常數(shù)β1；根據(jù)等式為電磁波在介質(zhì)1中的傳播矢量，γ01為介質(zhì)1的固有傳播常數(shù)，介質(zhì)1存在如下等式：α12-β12=α012-β012]]>α1β1cosρ1＝α01β01(4)介質(zhì)2也存在相同的等式：α22-β22=α022-β022]]>α2β2cosρ2＝α02β02(5)由式(4)，可得α1、β1為α1=β012-α01221+(2α01β01(β012-α012)cosρ1)2-1]]>β1=β012-α01221+(2α01β01(β012-α012)cosρ1)2+1---(6)]]>步驟S4、計(jì)算波在介質(zhì)2中的衰減常數(shù)α2和相位常數(shù)β2；根據(jù)Snell定律，可得到如下等式：α1sinζ1＝α2sinζ2β1sinξ1＝β2sinξ2(7)定義γ1t＝α1sinζ1+jβ1sinξ1(8)由式(5)和式(7)，可得α2、β2為：α2=12(|γ1t|2+Re(γ022)+|γ1t2-γ022|)]]>β2=12(|γ1t|2-Re(γ022)+|γ1t2-γ022|)---(9)]]>步驟S5、計(jì)算透射后介質(zhì)2中波傳播矢量的角度ξ2和ζ2；定義角當(dāng)時，ξ2取值為π/2；由于ξ2具有單調(diào)性，當(dāng)時，0≤ξ2≤π/2；當(dāng)時，π/2≤ξ2≤π；定義角當(dāng)時，ζ2取值為π/2；由于ζ2具有單調(diào)性，當(dāng)時，0≤ζ2≤π/2；當(dāng)時，π/2≤ζ2≤π；定義χ=Im(γ022)Im(γ012)---(10)]]>可得下式tanξ1=tanρ1±tan2ρ1-4χ(χ-1)2(χ-1)---(11)]]>根據(jù)χ定義，χ≥0，則χ取值范圍分為三種情況，即0≤χ<1、χ＝1、χ＞1；根據(jù)下式，可判斷式(11)計(jì)算結(jié)果為或ξ1=ξ1ξ,Re(γ1t2)≤Re(γ022)ξ1ζ,Re(γ1t2)≤Re(γ022)---(12)]]>如式(11)計(jì)算結(jié)果為則根據(jù)式(7)可得ξ2：ξ2=arcsin(β1sinξ1β2),ξ1<ξ1ξπ-arcsin(β1sinξ1β2),ξ1>ξ1ξ---(13)]]>如式(11)計(jì)算結(jié)果為則根據(jù)式(7)可得ζ2：ξ2=arcsin(α1sinξ1α2),ξ1<ξ1ζπ-arcsin(α1sinξ1α2),ξ1>ξ1ζ]]>所述的計(jì)算透射波的反射系數(shù)和透射系數(shù)的步驟具體包含：計(jì)算TE波的反射系數(shù)和透射系數(shù)，以及計(jì)算TM波的反射系數(shù)和透射系數(shù)。所述的計(jì)算TE波的反射系數(shù)和透射系數(shù)的方法包含：根據(jù)波在介質(zhì)1和2中的衰減常數(shù)α1、α2和相位常數(shù)β1、β2，以及角ξ2和ζ2，根據(jù)Maxwell方程和邊界條件，TE波反射系數(shù)為：RTE=μ2(α1cosζ1+jβ1cosξ1)-μ1(α2cosζ2+jβ2cosξ2)μ2(α1cosζ1+jβ1cosξ1)+μ1(α2cosζ2+jβ2cosξ2)---(15)]]>TE波透射系數(shù)為：TTE=2μ2(α1cosζ1+jβ1cosξ1)μ2(α1cosζ1+jβ1cosξ1)+μ1(α2cosζ2+jβ2cosξ2)---(16).]]>所述的計(jì)算TM波的反射系數(shù)和透射系數(shù)的方法包含：根據(jù)波在介質(zhì)1和2中的衰減常數(shù)α1、α2和相位常數(shù)β1、β2，以及角ξ2和ζ2，根據(jù)Maxwell方程和邊界條件，TM波反射系數(shù)和為：RTM=-ϵ2(α1cosζ1+jβ1cosξ1)+ϵ1(α2cosζ2+jβ2cosξ2)ϵ2(α1cosζ1+jβ1cosξ1)+ϵ1(α2cosζ2+jβ2cosξ2)---(17)]]>TM波透射系數(shù)為：TTM=2ϵ2(α1cosζ1+jβ1cosξ1)ϵ2(α1cosζ1+jβ1cosξ1)+ϵ1(α2cosζ2+jβ2cosξ2)---(18).]]>所述的追蹤透射射線并計(jì)算其散射場的步驟包含：定義透射射線的反射次數(shù)和透射次數(shù)最大值，當(dāng)透射射線反射次數(shù)或透射次數(shù)超出用戶定義最大值，不再繼續(xù)追蹤，當(dāng)透射射線離開目標(biāo)再次進(jìn)入自由空間，計(jì)算其散射場，結(jié)束追蹤。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：本方法基于電磁波的傳播機(jī)理，通過射線追蹤實(shí)現(xiàn)波在介質(zhì)中的傳播與透射精確仿真，具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、本發(fā)明計(jì)入了電磁波在介質(zhì)內(nèi)的傳播，提升了不能忽略厚度時介質(zhì)散射問題的計(jì)算精度；1、本發(fā)明屬于射線類高頻方法，兼顧計(jì)算精度與效率，能夠滿足實(shí)際工程中電大尺寸金屬介質(zhì)組合目標(biāo)電磁散射計(jì)算的需求。附圖說明圖1是本發(fā)明提供的一種基于射線追蹤的金屬介質(zhì)組合目標(biāo)電磁散射計(jì)算方法的流程圖。圖2為非均勻平面波在兩種有耗介質(zhì)邊界面發(fā)生反射和透射的示意圖。圖3為追蹤透射射線示意圖。圖4為介質(zhì)塊HH極化計(jì)算結(jié)果。具體實(shí)施方式以下根據(jù)圖1～圖4，具體說明本發(fā)明的較佳實(shí)施例。如圖1所示，本發(fā)明提供一種基于射線追蹤的金屬介質(zhì)組合目標(biāo)電磁散射計(jì)算方法，包含以下步驟：步驟S1、進(jìn)行射線追蹤，記錄射線與目標(biāo)的相交情況；步驟S2、判斷射線與目標(biāo)交點(diǎn)處的目標(biāo)材質(zhì)，如果材質(zhì)為金屬，進(jìn)行步驟S3，如果材質(zhì)為介質(zhì)，進(jìn)行步驟S4；步驟S3、進(jìn)行電磁計(jì)算獲得射線管的散射場，結(jié)束；步驟S4、計(jì)算透射波的傳播矢量，進(jìn)行步驟S5；步驟S5、根據(jù)透射波的傳播矢量，計(jì)算透射波的反射系數(shù)和透射系數(shù)，進(jìn)行步驟S6；步驟S6、追蹤透射射線，當(dāng)射線離開目標(biāo)再次進(jìn)入自由空間時，計(jì)算其散射場。所述的步驟S1中，定義垂直入射波方向的虛擬孔徑面模擬入射平面波，該虛擬孔徑面要能夠覆蓋目標(biāo)在該平面上的投影區(qū)域；為保證計(jì)算精度，需以十分之一波長為邊長的正方形，將虛擬孔徑面劃分為許多射線管，并沿入射波方向從所得射線管向目標(biāo)發(fā)射射線；追蹤每一根射線，記錄其與目標(biāo)的相交情況。所述的步驟S3中，針對金屬材質(zhì)進(jìn)行電磁計(jì)算獲得射線管的散射場的步驟包含：步驟S3.1、使用幾何光學(xué)(GO)計(jì)算反射場；步驟S3.2、進(jìn)行物理光學(xué)(PO)積分計(jì)算該射線管的散射場。所述的步驟S4中，計(jì)算透射波的傳播矢量的步驟包含：步驟S4.1、定義計(jì)算中使用的變量；如圖2所示，非均勻平面波在兩種有耗介質(zhì)邊界面發(fā)生反射和透射，邊界面為平面，為該邊界面的法向，由介質(zhì)2指向介質(zhì)1；定義有耗介質(zhì)i(i＝1,2)的相對介電常數(shù)和磁導(dǎo)率分別為：εri＝ε′ri-jε″riμri＝μ′ri-jμ″ri(1)在介質(zhì)i中，定義為波的等幅面?zhèn)鞑ナ噶?，為波的等相位面?zhèn)鞑ナ噶?，ξi為與的夾角，ρi為與的夾角，定義ζi＝ξi+ρi；波在介質(zhì)i中的傳播矢量為：γ→i=α→i+jβ→i---(2)]]>步驟S4.2、計(jì)算介質(zhì)1和介質(zhì)2的固有衰減常數(shù)α01、α02和固有相位常數(shù)β01、β02；介質(zhì)i中γ0i=αoi+jβ0i=jk0ϵriμri---(3)]]>其中，k0為自由空間波數(shù)，j表示復(fù)數(shù)的虛部；根據(jù)式(3)，由介質(zhì)1和介質(zhì)2的相對介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，可分別得到α01、β01、α02、β02；步驟S4.3、計(jì)算波在介質(zhì)1中的衰減常數(shù)α1和相位常數(shù)β1；根據(jù)等式(為電磁波在介質(zhì)1中的傳播矢量，γ01為介質(zhì)1的固有傳播常數(shù))，介質(zhì)1存在如下等式：α12-β12=α012-β012]]>α1β1cosρ1＝α01β01(4)介質(zhì)2也存在相同的等式：α22-β22=α022-β022]]>α2β2cosρ2＝α02β02(5)由式(4)，可得α1、β1為α1=β012-α01221+(2α01β01(β012-α012)cosρ1)2-1]]>β1=β012-α01221+(2α01β01(β012-α012)cosρ1)2+1---(6)]]>步驟S4.4、計(jì)算波在介質(zhì)2中的衰減常數(shù)α2和相位常數(shù)β2；根據(jù)Snell定律，可得到如下等式：α1sinζ1＝α2sinζ2β1sinξ1＝β2sinξ2(7)定義γ1t＝α1sinζ1+jβ1sinξ1(8)由式(5)和式(7)，可得α2、β2為：α2=12(|γ1t|2+Re(γ022)+|γ1t2-γ022|)]]>β2=12(|γ1t|2-Re(γ022)+|γ1t2-γ022|)---(9)]]>步驟S4.5、計(jì)算透射后介質(zhì)2中波傳播矢量的角度ξ2和ζ2；定義角當(dāng)時，ξ2取值為π/2；由于ξ2具有單調(diào)性，當(dāng)時，0≤ξ2≤π/2；當(dāng)時，π/2≤ξ2≤π；定義角當(dāng)時，ζ2取值為π/2；由于ζ2具有單調(diào)性，當(dāng)時，0≤ζ2≤π/2；當(dāng)時，π/2≤ζ2≤π；定義χ=Im(γ022)Im(γ012)---(10)]]>可得下式tanξ1=tanρ1±tan2ρ1-4χ(χ-1)2(χ-1)---(11)]]>根據(jù)χ定義，χ≥0，則χ取值范圍分為三種情況，即0≤χ<1、χ＝1、χ＞1；根據(jù)下式，可判斷式(11)計(jì)算結(jié)果為或ξ1=ξ1ξ,Re(γ1t2)≤Re(γ022)ξ1ξ,Re(γ1t2)>Re(γ022)---(12)]]>如式(11)計(jì)算結(jié)果為則根據(jù)式(7)可得ξ2：ξ2=arcsin(β1sinξ1β2),ξ1<ξ1ξπ-arcsin(β1sinξ1β2),ξ1>ξ1ξ---(13)]]>如式(11)計(jì)算結(jié)果為則根據(jù)式(7)可得ζ2：ξ2=arcsin(α1sinξ1α2),ξ1<ξ1ζπ-arcsin(α1sinξ1α2),ξ1>ξ1ζ---(14).]]>所述的步驟S5中，計(jì)算透射波的反射系數(shù)和透射系數(shù)的步驟具體包含：計(jì)算TE波的反射系數(shù)和透射系數(shù)，以及計(jì)算TM波的反射系數(shù)和透射系數(shù)。所述的計(jì)算TE波的反射系數(shù)和透射系數(shù)的方法包含：根據(jù)波在介質(zhì)1和2中的衰減常數(shù)α1、α2和相位常數(shù)β1、β2，以及角ξ2和ζ2，根據(jù)Maxwell方程和邊界條件，TE波反射系數(shù)為：RTE=μ2(α1cosζ1+jβ1cosξ1)-μ1(α2cosζ2+jβ2cosξ2)μ2(α1cosζ1+jβ1cosξ1)+μ1(α2cosζ2+jβ2cosξ2)---(15)]]>TE波透射系數(shù)為：TTE=2μ2(α1cosζ1+jβ1cosξ1)μ2(α1cosζ1+jβ1cosξ1)+μ1(α2cosζ2+jβ2cosξ2)---(16)]]>所述的計(jì)算TM波的反射系數(shù)和透射系數(shù)的方法包含：根據(jù)波在介質(zhì)1和2中的衰減常數(shù)α1、α2和相位常數(shù)β1、β2，以及角ξ2和ζ2，根據(jù)Maxwell方程和邊界條件，TM波反射系數(shù)和為：RTM=-ϵ2(α1cosζ1+jβ1cosξ1)+ϵ1(α2cosζ2+jβ2cosξ2)ϵ2(α1cosζ1+jβ1cosξ1)+ϵ1(α2cosζ2+jβ2cosξ2)---(17)]]>TM波透射系數(shù)為：TTM=2ϵ2(α1cosζ1+jβ1cosξ1)ϵ2(α1cosζ1+jβ1cosξ1)+ϵ1(α2cosζ2+jβ2cosξ2)---(18)]]>所述的步驟S6中，定義透射射線的反射次數(shù)和透射次數(shù)最大值，當(dāng)透射射線反射次數(shù)或透射次數(shù)超出用戶定義最大值，不再繼續(xù)追蹤，當(dāng)透射射線離開目標(biāo)再次進(jìn)入自由空間，計(jì)算其散射場，結(jié)束追蹤。如圖3所示，設(shè)透射射線的反射次數(shù)和透射次數(shù)最大值均為2，射線由A點(diǎn)處透射進(jìn)入介質(zhì)1，并在介質(zhì)1中發(fā)生2次反射，分別由c、d點(diǎn)穿透介質(zhì)1進(jìn)入自由空間。射線在B點(diǎn)再次透射進(jìn)入介質(zhì)2，在介質(zhì)2中發(fā)射2次反射，并由e、f、g點(diǎn)穿透介質(zhì)2進(jìn)入自由空間。為了驗(yàn)證本發(fā)明提供的基于射線追蹤的金屬介質(zhì)組合目標(biāo)電磁散射計(jì)算方法的精度，仿真了介質(zhì)塊的雙站RCS，并與快速多極子(MLFMA)結(jié)果進(jìn)行了對比。介質(zhì)塊尺寸為3m×5m×2.5m，一個端面為金屬，其余部分為介質(zhì)，介質(zhì)部分相對介電常數(shù)為εr＝2.0-j0.0667，磁導(dǎo)率為μr＝1.0。平面波沿θ＝90°，方向入射，散射方向?yàn)棣龋?0°，仿真頻率為600MHz。圖4為計(jì)算結(jié)果對比，MLFMA為快速多極子方法，方法1為本發(fā)明提供的基于射線追蹤的金屬介質(zhì)組合目標(biāo)電磁散射計(jì)算方法，方法2為基于等效反射系數(shù)的散射計(jì)算方法，在和區(qū)域，方法2只計(jì)算表面單次反射會產(chǎn)生較大誤差，方法1即本發(fā)明考慮了電磁波的透射以及在介質(zhì)內(nèi)的傳播，具有很高的計(jì)算精度。本發(fā)明基于電磁波的傳播機(jī)理，通過射線追蹤實(shí)現(xiàn)波在介質(zhì)中的傳播與透射精確仿真，可用于實(shí)際工程中的電大尺寸金屬介質(zhì)目標(biāo)的RCS和ISAR圖像預(yù)估，是一種具有很高實(shí)用價(jià)值的計(jì)算方法。盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過上述優(yōu)選實(shí)施例作了詳細(xì)介紹，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到上述的描述不應(yīng)被認(rèn)為是對本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來限定。當(dāng)前第1頁1 2 3