基于Pro/E的RCS計(jì)算

摘 要：針對(duì)復(fù)雜目標(biāo)外形RCS分析設(shè)計(jì)的實(shí)際需要，采用Pro/Toolkit程序開發(fā)技術(shù)，在VS 2008環(huán)境下對(duì)Pro/E進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了Pro/E造型軟件與RCS預(yù)估分析的集成。論述了具體的開發(fā)設(shè)計(jì)方法，以物理光學(xué)法為基礎(chǔ)，采用一種新型目標(biāo)離散方法計(jì)算目標(biāo)RCS。給出典型體的算例，表明算法具有較好的計(jì)算精度。該方法可以簡(jiǎn)化預(yù)估過(guò)程，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)外形與RCS的一體化分析，提高總體設(shè)計(jì)效率，因此具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：雷達(dá)散射截面； Pro/E二次開發(fā)； 電磁計(jì)算； 物理光學(xué)法

中圖分類號(hào)：TN011-34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-373X(2011)17-0015-03

RCS Calculation Based on Pro/E

ZHANG Yu-hui， LI Jian-zhou， LI Dong

(School of Electronics and Information， Northwestern Polytechnical University， Xi’an 710129， China)

Abstract： A new RCS evaluation method and a new kind of target discretization is proposed by integrating PO into Pro/E modeling software to provide an integrative environment. Under the VS2008 environment， using Pro/Toolkit procedure development technology to carry on secondary development in Pro/E. So RCS analysis can be done at any moment of target shape design in this environment. The procedure of the software development is discussed in detail. Numerical samples show that this RCS evaluation method is accurate and much more efficient.

Keywords： radar cross section; secondary development of Pro/E; electromagnetic computation; physical optics

0 引 言

復(fù)雜目標(biāo)RCS［1-2］的分析預(yù)估一直是電磁場(chǎng)理論研究的一個(gè)重要課題。對(duì)于飛機(jī)、導(dǎo)彈、坦克、艦船等復(fù)雜目標(biāo)，在其外形設(shè)計(jì)階段就需要實(shí)時(shí)預(yù)估其散射特性［2-3］，以便為外形修改提供依據(jù)。其中一個(gè)關(guān)鍵步驟是目標(biāo)外形設(shè)計(jì)模型到RCS計(jì)算模型的轉(zhuǎn)換。工程中采用三維CAD造型軟件完成外形設(shè)計(jì)后轉(zhuǎn)換成RCS計(jì)算模型需要耗費(fèi)大量的時(shí)間，并且很難保證模型精度。人們希望能夠?qū)⒛繕?biāo)外形設(shè)計(jì)和電磁散射分析相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)外形與隱身性能的一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)。將RCS分析預(yù)估與CAD造型軟件集成，可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題［4-5］。Pro/E（Pro/Engineer）［6］是美國(guó)參數(shù)技術(shù)公司（Parametric Technology Corporation，PTC）研制的三維CAD/CAM軟件，該軟件廣泛應(yīng)用于造型設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、加工制造、機(jī)構(gòu)分析、有限元分析及相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)等各個(gè)領(lǐng)域。在提供強(qiáng)大的設(shè)計(jì)、分析、制造功能的同時(shí)，Pro/E也為用戶提供了多種二次開發(fā)工具，目前采用比較多的是Pro/Toolkit。本文以物理光學(xué)法為原理，利用Pro/Toolkit對(duì)Pro/E進(jìn)行二次開發(fā)［6-8］，實(shí)現(xiàn)在Pro/E中對(duì)模型實(shí)時(shí)進(jìn)行RCS分析進(jìn)行預(yù)估。這種方法可以簡(jiǎn)化預(yù)估過(guò)程，特別是其中的模型前處理過(guò)程，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)外形與RCS的一體化分析，提高總體設(shè)計(jì)效率，因此具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 物理光學(xué)近似

本文算法采用物理光學(xué)（PO）法。物理光學(xué)通過(guò)對(duì)感應(yīng)場(chǎng)近似積分求得散射場(chǎng)，克服了平表面和單彎曲表面RCS出現(xiàn)無(wú)限大的問(wèn)題，因?yàn)楦袘?yīng)場(chǎng)保持有限，散射場(chǎng)也就同樣有限。其出發(fā)點(diǎn)是Stratton-Chu散射場(chǎng)積分方程，按照物理光學(xué)法，為簡(jiǎn)化Stratton-Chu積分方程的求解，需要做出以下假設(shè):

(1) 散射體表面的陰影部分總場(chǎng)為零；

(2) 遠(yuǎn)場(chǎng)近似：以波長(zhǎng)和散射體的相對(duì)尺寸來(lái)說(shuō)，觀察點(diǎn)或接收天線與散射體相距很遠(yuǎn)；

(3) 切平面近似:用入射場(chǎng)表示散射體表面的總場(chǎng)。

假設(shè)(1)只有當(dāng)波長(zhǎng)相對(duì)于散射體尺寸很小即假設(shè)(2)成立時(shí)才成立。綜合以上物理光學(xué)近似，Stratton-Chu積分方程簡(jiǎn)化為：

2 RCS計(jì)算與Pro/E的集成

目標(biāo)RCS的計(jì)算分為模型的網(wǎng)格離散和RCS計(jì)算兩個(gè)基本步驟。傳統(tǒng)的網(wǎng)格離散方法 ［9］都是直接在模型上劃分合適的單元，而圖形算法則是將三維的幾何模型投影到計(jì)算機(jī)屏幕上，再按照屏幕上的像素將模型進(jìn)行離散。計(jì)算時(shí)根據(jù)光照信息反算出各像素的法矢量，進(jìn)而計(jì)算目標(biāo)的RCS。按像素離散的最大優(yōu)點(diǎn)是處理過(guò)程非常簡(jiǎn)單，網(wǎng)格離散不受目標(biāo)復(fù)雜程度的影響，具有極快的離散速度。然而，當(dāng)顯示器分辨率固定時(shí)，像素尺寸就是固定的，不管目標(biāo)的電尺寸多大，離散后的網(wǎng)格大小（密度）總是固定的。這顯然不符合RCS計(jì)算的原則。本文從像素離散的本質(zhì)出發(fā)，采用一種新型目標(biāo)離散方法，既能保持處理過(guò)程簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，又能根據(jù)需要任意調(diào)整離散密度。

圖1為新的模型離散方法示意圖。假定雷達(dá)沿z軸負(fù)向入射，在z為一定值的位置處放置一個(gè)假想的平面，使其垂直于z軸。分別以適當(dāng)?shù)拈g距沿x，y方向?qū)⑵矫鎰澐譃榫匦尉W(wǎng)格，取任一網(wǎng)格單元的中心，將該點(diǎn)沿入射方向投影到目標(biāo)表面。根據(jù)目標(biāo)的幾何外形數(shù)據(jù)和投影線矢量，應(yīng)用射線求交算法可以計(jì)算出目標(biāo)表面投影點(diǎn)的三維坐標(biāo)和法矢量，進(jìn)而可以計(jì)算目標(biāo)RCS，得到目標(biāo)散射特性。這種新方法的網(wǎng)格離散具有極大的靈活性，可以隨著目標(biāo)電尺寸的不同而調(diào)整，并且由于不需要光照和像素處理，可以用于解決圖形算法不便處理的問(wèn)題。

完成對(duì)模型的網(wǎng)格離散之后，利用編寫的源程序?qū)δ繕?biāo)模型進(jìn)行RCS計(jì)算。本文利用Pro/E的二次開發(fā)工具Pro/Toolkit封裝的庫(kù)函數(shù)與頭文件調(diào)用Pro/E底層資源，采用同步模式下的DLL模式，借助第三方編譯環(huán)境（C++）進(jìn)行調(diào)試［10-12］，開發(fā)環(huán)境為Windows XP+Pro/E 4.0+VS 2008。在下一節(jié)中將給出計(jì)算實(shí)例驗(yàn)證程序的正確性。

3 計(jì)算實(shí)例

本文用兩個(gè)典型體的計(jì)算結(jié)果來(lái)說(shuō)明所提方法的可行性與程序算法的可靠性。

例1：立方體單站RCS。立方體邊長(zhǎng)為300 mm，入射波頻率為9.375 GHz。圖2為文獻(xiàn)[5]的測(cè)試結(jié)果，圖3為Pro/E中建立的模型和本文計(jì)算結(jié)果。可以看出，這一結(jié)果與測(cè)試結(jié)果吻合得非常好。在45°與135°附近誤差稍大，這是因?yàn)槟壳皼]有考慮目標(biāo)的邊緣繞射。

例2：圓柱單站RCS。圓柱直徑為270 mm，長(zhǎng)度為620 mm，入射波頻率為4 GHz，0°為圓柱正側(cè)面。圖4為矩量法的計(jì)算結(jié)果［13-15］，圖5為Pro/E中建立的模型和本文計(jì)算結(jié)果。可以看出，計(jì)算結(jié)果與矩量法測(cè)試結(jié)果吻合得較好。

以上算例所用模型都是在Pro/E中生成的。在保證計(jì)算精度的情況下，從創(chuàng)建模型到完成計(jì)算都可以在很短的時(shí)間內(nèi)完成，應(yīng)用到飛機(jī)、導(dǎo)彈等復(fù)雜模型的工程實(shí)踐中可以顯著提高整體分析效率。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文詳細(xì)研究了RCS計(jì)算與Pro/E軟件的集成問(wèn)題，并且用兩個(gè)典型體的計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了方法的可行性以及程序算法的正確性。這種方法不但能滿足精度要求，而且能在Pro/E中對(duì)所建目標(biāo)模型進(jìn)行RCS實(shí)時(shí)預(yù)估，不僅縮短工程周期，而且提高了RCS分析工作的效率，有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］阮穎錚.雷達(dá)截面與隱身技術(shù)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1998.

［2］阮穎錚.電磁射線理論基礎(chǔ)［M］.成都:成都電訊工程學(xué)院出版社，1984.

［3］李建周，吳昌英，侯新宇.基于Unigraphics的雷達(dá)截面預(yù)估軟件設(shè)計(jì)［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2005，20(2):222-225.

［4］蔣應(yīng)富，李建周，許家棟.新型通用進(jìn)氣道類復(fù)雜腔體結(jié)構(gòu)電磁散射計(jì)算方法［J］.航空學(xué)報(bào)，2009，30(9)：1740-1744.

［5］李建周，許家棟，郭陳江.一體化雷達(dá)散射截面計(jì)算方法研究［J］.西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，21(4):449-451.

［6］Anon. Pro/Toolkit user′s guide [M]. Needham: Parame-tric Technology Corporation， 2009.

［7］李世國(guó).Pro/Toolkit程序設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［8］吳立軍，陳波.Pro/ENGINEER二次開發(fā)技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2006.

［9］張麟兮，李南京，胡楚峰，等.雷達(dá)目標(biāo)散射特性測(cè)試與成像診斷［M］.北京：中國(guó)宇航出版社，2009.

［10］王恒，寧汝新，張旭，等.利用MFC二次開發(fā)Pro/E［J］.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2004，16(6):869-872.

［11］賀菲，肖穎，童水光，等.基于Visual C++的Pro/E三維標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)的開發(fā)研究［J］.機(jī)械工程師，2001，31(11):22-24.

［12］劉子建.基于Pro/E的CAD系統(tǒng)二次開發(fā)技術(shù)［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2002，22(11):123-125.

［13］何國(guó)瑜，盧才成，洪家才，等.電磁散射的計(jì)算和測(cè)量［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

［14］段洪，李建周，蔣應(yīng)富.64位計(jì)算技術(shù)求解電大尺寸電磁計(jì)算問(wèn)題［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2010，33(10)：23-26.

［15］國(guó)海廣，范麗思，潘曉東.解決電大尺寸電磁場(chǎng)問(wèn)題的改進(jìn)矩量法研究［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，32(6):130-133.

作者簡(jiǎn)介：

張宇暉 男，1985年出生，甘肅定西人，碩士研究生。主要研究方向?yàn)殡姶派⑸溆?jì)算、小衛(wèi)星天線。

李建周 男，1972年出生，陜西岐山人，研究生導(dǎo)師，副教授。主要研究方向?yàn)槟繕?biāo)建模及電磁散射計(jì)算、小衛(wèi)星天線等。

李 棟 男，1985年出生，陜西西安人，碩士研究生。主要研究方向?yàn)殡姶派⑸溆?jì)算、電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算。