基于 GRECO的復雜目標多次散射 RCS計算

劉 佳 渠慎豐 王寶發

(北京航空航天大學 電子信息工程學院,北京 100191)

基于 GRECO的復雜目標多次散射 RCS計算

劉 佳 渠慎豐 王寶發

(北京航空航天大學 電子信息工程學院,北京 100191)

復雜目標多次散射問題對于目標雷達散射截面(RCS,Radar Cross Section)的精確預估具有重要影響.以圖形電磁計算(GRECO,Graphic Electromagnetic Lomputing)軟件為平臺,充分利用其可視化計算的特點,采用像素為基本計算單元,開發了一種多次散射計算方法.通過獲取像素幾何信息,搜索符合多次散射條件的像素對,并將高頻計算方法中的幾何光學和物理光學相結合,實現了對發生多次散射的復雜目標 RCS可視化計算.應用 AUTOCAD軟件建立了角反射器和導彈模型,將最終計算結果與參考文獻中計算結果進行對比,取得了較為理想的結果,證明了該方法具有很好的工程應用價值.

電磁波散射;雷達散射截面;多次反射;圖形電磁計算

復雜目標多次散射是目標雷達散射截面(RCS,Radar Cross Section)預估的一個重要研究方向.國內外科研工作者對該問題已經做了一些研究,并開發出了幾種計算方法:文獻[1]采用面元投影高頻近似方法進行多次散射計算,文獻[2]中采用雙向解析射線追蹤法計算目標與粗糙面的復合散射.除了應用高頻近似方法,還可以通過迭代物理光學法計算角反射器和腔體的近場RCS[3],用彈跳射線法計算腔體 RCS[4]等.本文介紹了一種以圖形電磁計算(GRECO,Graphical E-lectromagnetic Computing)為平臺的可視化多次散射的計算方法.GRECO是 20世紀 90年代西班牙學者[5]提出的一種計算目標 RCS的新方法,具有速度快,計算結果準確度高的特點.本文介紹的計算方法采用比面元尺寸更小的像素為基本計算單元,搜索符合多次散射條件的像素對,將高頻近似法中的幾何光學和物理光學法相結合計算多次散射 RCS.通過對一些模型的計算證明考慮多次散射效應后計算精度可以提高,從而證明了該方法的有效性.

1 計算方法

GRECO是以像素為基本單元計算后向散射,并將每個像素計算得到的 RCS進行相干疊加得到目標的后向 RCS.為了計算目標的多次散射,仍以像素作為基本單位.通過以下 3步獲得目標RCS:①獲取目標像素點的幾何信息;②應用最小夾角方法搜索符合多次散射特性像素對;③計算多次散射 RCS.

1.1 獲取像素信息

在 GRECO中,設目標幾何模型的面元個數為 Ns,用 S1,S2,…,SN表示這些面元,通過對面元序號進行 RGBA映射得到一組映射值 Ci.在對目標的每個面元 Si進行著色時,用映射值 Ci代替Phong光照模型對面元 Si進行著色,將這樣著色后的目標三維圖形顯示在屏幕上,像素所屬面元序號可以通過逆映射得到,在確定像素所屬面元的序號以后,可以很容易獲得其幾何參數.

1.2 搜索符合多次散射關系的像素對

獲取像素信息后,應用像素最小夾角法搜索符合多次散射的像素對.

1)確定像素點 P1及其中心點坐標和法矢量后,利用幾何光學判定反射后電磁波的傳播矢量V1并將 P1作為搜索起始位置.為加快搜索速度,開始搜索之前根據傳播矢量 V1的 y分量正負判定搜索方向.若 V1的 y分量大于 0,說明符合多次散射條件的像素點 Pi的 y值大于像素點 P1的 y值,根據程序中存儲像素數組的排列順序,以像素P1的當前位置為搜索起始位置,在像素數組中向后搜索.若 y分量小于 0,搜索的方向為向后搜索.如果 y分量等于 0,則根據 V1的 x分量的正負來判斷搜索方向,搜索依據與前述類似.

2)明確搜索方向后,判定以 P1為起點,Pi為終點的矢量 Vi與 V1的夾角是否達到符合要求的角度.在搜索中設定一個表示最小角度的變量 m,判斷每個像素 Pi與 P1形成的矢量 Vi與 V1的夾角.若夾角小于 m,則將像素存入臨時結果數組中.搜索結束后,若臨時結果數組的像素個數為0,表明沒有滿足與當前像素點 P1發生二次散射的像素;若不為 0,說明在以 P1為起點,V1為矢量的射線與目標上不只一個點相交.計算臨時結果數組中的每個像素點與 P1的距離,選取距離最小的像素點為符合判定條件的像素 Pi.圖 1中,P3,P4不符合矢量夾角條件而被排除,P5,P6點雖然形成的矢量與 V1夾角小于 m,但兩個點被 P2遮擋,用最小距離的方法可以進行排除.

3)多次散射過程中,電磁波可能會存在二次以上反射.搜索到與 P1符合二次散射的點 Pi后,還要考慮 Pi的鏡像反射波是否會照射到其他像素點.因而需要以 Pi為起點,一次反射波為入射波,搜索是否存在與 Pi滿足照射關系的像素點Pj.重復該搜索過程,直到像素點 PN的反射波向遠場輻射.

圖1 像素搜索說明圖

1.3 對像素對進行多次散射 RCS計算

在多次散射過程中除了最終向遠場的散射,每次散射過程中都要計算像素點在鏡像反射方向的散射場,作為下一次散射的入射場.為簡化計算,電磁波在目標上各點之間的多次散射采用何光學法計算.確定多次反射后各像素點的位置,再利用物理光學近似法計算出目標的散射場.

用幾何光學法計算反射電場時,令 i表示入射方向,n表示像素點的法矢量,反射方向為 Sr=i-2(i·n)n,入射和反射電場分別為 Ei,Er,則

式中

用物理光學法計算多次散射的遠場 RCS分為兩個步驟:先根據像素 PN所在的空間位置和法矢量對像素點進行坐標變換;再利用物理光學中矩形平板的雙站 RCS計算式計算每個像素單元的 RCS,最后進行相干疊加即可得到目標的多次散射 RCS.由于像素點為矩形,采用空間中矩形平板雙站 RCS的物理光學計算公式[6]如下:

式中,k為電磁波的波數;er為雷達接收器電場極化方向單位矢量;hi為入射磁場的單位矢量;W和 L分別為沿平面寬度和長度方向上的矢量;i為入射波矢量;s為觀測點所在方位.

由式(2)分別計算出每個像素對的多次散射RCS后,將結果用式(3)進行相干疊加[7].

式中,N表示當前顯示狀態下像素對的個數.多次散射計算的整體流程見圖 2.

圖2 多次散射RCS計算流程圖

2 計算結果

為驗證計算方法的正確性,分別對兩個模型進行了計算.其中一個模型為 90°反射器模型,構成該角反射器的兩個平板均為正方形,邊長為17.9 cm,入射波頻率為 9.4GHz,垂直極化,入射波初始方向為角反射器的角平分線方向.從對比結果圖 3中可以看出實測結果和計算結果的兩條曲線擬合得很好,大部分情況下是基本吻合的.說明本文提出的方法對計算角反射器這樣典型的角形結構可以得到比較理想的結果.

圖3 計算結果對比圖

另外一個模型是根據文獻[8]中提供的數據定義的導彈模型.導彈模型的計算結果和文獻[8]的結果見圖 4、圖 5.計算多次散射以后,姿態角在 20°～40°之間后向散射的兩個波谷值和一個波峰值得到了修正,35°和 82°處的 RCS值發生變化,170°～180°之間 RCS值的變化趨勢也出現了差異,與文獻[8]計算的圖 5對比,這些變化符合圖 5中的 RCS曲線特性.在 90°～100°這個范圍內 RCS值基本沒有變化,也與該姿態角范圍內導彈模型中后向散射占主要貢獻的情況相吻合.與單純計算后向散射 RCS結果對比,計算多次散射后的結果值與文獻[8]中采用的計算方法得到的預估值更加接近.計算誤差來源于模型誤差以及沒有考慮到面元散射與棱邊繞射之間相互作用的情況.

圖4 本文對導彈模型的計算結果

3 結 論

本文提出了一種利用 GRECO可視化特點計算復雜目標多次散射的新方法.該方法以像素為基本計算單元,通過搜索符合多次散射條件的像素對,采用幾何光學和物理光學相結合的方法計算出了目標多次散射的 RCS.通過對角反射器模型和文獻中定義的導彈模型進行計算,并將計算結果與文獻中的結果進行對比,證明了該方法的正確性.

References)

[1]韓學文,呂善偉,孫向東.RCS分析中多次反射的計算及程序實現技術[J].北京航空航天大學學報,1999,25(4):388-391 Han Xuewen,LǜShanwei,Sun Xiangdong.Multi-reflection calculation of RCSand programming[J].Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,1999,25(4):388-391(in Chinese)

[2]徐豐,金亞秋.計算粗糙海面與大型艦船復合散射的雙向解析射線追蹤法[J].自然科學進展,2008,18(7):814-825 Xu Feng,Jin Yaqiu.Compound scattering computation between rough sea surface and large-size ship using bidirectional analytical ray tracing[J].Progress in Natural Science,2008,18(7):814-825(in Chinese)

[3]Burkholder R J,Lundin T.Forward-backward iterative physical opticsalgortithm for computing the RCS of open-ended cavities[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2005,53(2):793-799

[4]Bhalla R,Moore J,Ling Hao.A golobal scattering center representation of complex targets using the shooting and bouncing ray technique[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,1997,45(12):1850-1856

[5]Rius JM,Ferrando M,Jofre L.GRECO:graphicalelectro magnetic computing for RCS prediction in real time[J].IEEE Antennas and Propagation Magazine,1993,35(2):7-17

[6]阮穎錚.雷達截面與隱身技術[M].北京:國防工業出版社,1998:102-103 Ruan Yingzheng.Radar cross section and stealth technology[M].Beijing:National Defense Industry Press,1998:102-103(in Chinese)

[7]Weinmann F.Ray tracing with PO/PTD for RCS modeling of large complex objects[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2006,54(6):1797-1806

[8]Rius JM.High-frequency RCS of complex radar targets in realtime[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,1993,41(9):1308-1319

(編 輯 :李 晶)

M ultiple scattering RCS computation of complex targets on GRECO

Liu Jia Qu Shenfeng Wang Baofa

(School of Electronics and Information Engineering,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing 100191,China)

The multiple scattering of the complex targets has great influence on the accurate radar cross section(RCS)prediction of the target.A new method based on the graphic electromagnetic computing(GRECO)platform utilized the visualization character of the GRECO.The pixelwas regarded as basic computation unit in this method.Employing geometric optics and physical optics in the electromagnetic computation theory,the RCS computation of the complex target was achieved after the acquisition of the pixel geometrical information and the search of the pixel pairs which meet the criterion of the multiple scattering.The computation examples of the dihedral corner reflector and the missile which are modeled with AUTOCAD software are given.Excellent agreement with the data from other literature indicates that the method has practical engineering value.

electromagnetic wave scattering;radar cross section(RCS);multi-reflection;graphic electromagnetic computing(GRECO)

TP 273.2

A

1001-5965(2010)05-0614-03

2009-06-15

劉 佳(1985-),男,內蒙古呼倫貝爾人,碩士生,bobmp5@163.com.