射頻仿真系統高分辨雷達箔條云模型構建方法

韓紅斌,費惠佳

(91336部隊,河北 秦皇島 066326)

0 引言

箔條干擾是無源電子對抗常用的干擾方式。箔條干擾技術比較成熟,而且箔條制造簡單,生產速度比較快,在干擾反艦導彈末制導雷達時使用方便,是十分有效的無源干擾手段[1-7]。但目前針對高分辨末制導雷達的箔條干擾模型,基本都是基于理論公式計算得到的,在高分辨末制導雷達抗箔條干擾半實物仿真試驗中,無法滿足箔條云一維距離擴展特性模擬的需求[8-9]。

本文針對高分辨末制導雷達抗箔條干擾試驗需求,借鑒文獻[10]中的可視化建模技術,通過3ds Max軟件構建箔條云的三維幾何模型,并利用CST 三維電磁場仿真軟件對不同情況下的箔條云模型進行一維距離擴展特性計算,對不同距離分辨率情況下的仿真結果進行對比分析,獲得箔條云一維距離擴展的基本特性。將研究成果應用于導彈制導半實物仿真試驗系統中,進行箔條云距離擴展特性模擬,以提高高分辨末制導雷達的抗干擾半實物仿真試驗置信度。

1 箔條云的三維幾何模型構建

本文基于3ds Max軟件粒子系統中的粒子云對箔條云三維幾何模型進行構建。

1.1 粒子系統的基本原理

粒子系統可表征為一個集合,其粒子總體表現規律相同,但其中個體卻具有隨機性,并表現出不同的特征。

粒子系統的基本原理是將微小粒子作為基本元素,利用大量隨機的微小粒子來表征一個不規則的模糊物體,且每個粒子均具有一定的生命力和屬性。粒子系統通過一系列粒子來確定物體形體,但該物體不是一個穩定的統一體,主要表現為隨著時間的變化,系統中粒子的形式和運動狀態都將發生變化。根據粒子自身屬性,隨時間變化,系統中會“誕生”一些新的粒子,一些舊的粒子也會隨時間推移而“死亡”。每個粒子都會經歷三個階段,即產生、運動和消亡。粒子系統中的每個粒子都具有多種屬性,如形狀、顏色、尺寸、生命期、透明度、運動速度和運動方向等,且這些屬性都是隨時間變化的。物體的動態性和隨機性隨這些粒子的各種屬性的變化而表征出來[11]。

粒子系統隨時間不斷變化。生命期的每一時刻,粒子系統生成單幀粒子都需要歷經新粒子生成、粒子屬性更新、消亡粒子刪除、存活粒子繪制等過程。

新粒子生成是指由粒子源產生任意數量的新粒子,新粒子的初始屬性由隨機過程控制。系統中的每個粒子都有各自的生命期,生命期可根據實際屬性設定,也可以是無限長的。粒子屬性更新是指每一時刻都對現存粒子的屬性進行更新。消亡粒子刪除是指檢查粒子的生命期,將生命期為0的“死”粒子從系統中刪除。存活粒子繪制是對系統中所有存在的“活”的粒子進行顯示。粒子系統生成單幀粒子的過程如圖1所示。

圖1 粒子系統生成單幀粒子的過程

1.2 基于粒子系統的箔條云模型構建

基于3ds Max粒子系統中的粒子云,設置箔條的基本屬性,如形狀、尺寸、運動速度、運動方向、顏色、重力、生命期等。根據箔條實際運動情況,調整粒子系統中的阻力、風速、風向等各種自然屬性,來真實模擬箔條云的爆炸、擴散和消散過程。

綜合考慮箔條根數對箔條云雷達散射截面積(RCS)的影響及計算機的運算能力,本文建立了箔條根數為5 000,10 000,20 000,40 000的四種箔條云模型,并開展仿真計算。圖2和圖3分別為箔條根數為20 000的箔條云形成初期和擴散后的幾何模型圖。

圖2 箔條云形成初期的幾何模型

圖3 箔條云擴散后的幾何模型

2 箔條云一維距離擴展模型的構建

本文采用CST 軟件中漸進求解器的彈跳射線(SBR)算法,對不同根數的箔條云模型進行仿真計算,得到不同距離分辨率、不同極化方式情況下箔條云的一維距離像。首先將在3ds Max中構建的每一時刻的箔條云幾何模型文件導入CST 軟件中,然后利用SBR 算法對該幾何模型進行一維距離像的仿真計算。表1列出了CST 軟件生成箔條云一維距離像的典型參數。

表1 CST軟件生成箔條云一維距離像的典型參數

在不同距離分辨率、不同極化方式情況下,對20 000根箔條組成的箔條云的一維距離像進行仿真,結果如圖4～圖6所示。可以看出,箔條云的一維距離像受極化方式影響較小,隨著雷達距離分辨率的提高,箔條云的散射點數增多,最強散射點的RCS減小。根據能量守恒定律,在相同的能量下,散射點數的增多必然導致最強散射點的能量減小。

圖4 分辨率為0.5 m 時箔條云的一維距離像

圖5 分辨率為1.5 m 時箔條云的一維距離像

圖6 分辨率為15.0 m 時箔條云的一維距離像

3 仿真分析

本文對箔條根數為5 000,10 000,20 000,40 000的箔條云進行了仿真。箔條云作為點目標和在0.5,1.5,15.0 m 三種距離分辨率情況下的RCS仿真結果見表2。

表2 不同根數箔條云RCS的仿真結果

由表2可知:隨著箔條根數的增多,箔條云的RCS總體呈上升趨勢;隨著雷達距離分辨率的提高,箔條云回波對雷達的極化信息不再敏感;隨著雷達距離分辨率的提高,箔條云的強散射點數量增多,且最強散射點的能量比點目標的能量小(10～20)d B,但三種分辨率情況下各最強散射點的能量相差不大;點目標情況下,隨著箔條根數的增多,VV 極化下的箔條云回波能量大于H H 極化下的回波能量;在15.0 m 分辨率情況下,箔條根數為40 000的箔條云的最強散射點RCS比箔條根數為5 000,10 000,20 000的箔條云的小,這可能是由箔條云各處回波相位的變化引起的。

4 結束語

本文借鑒3ds Max的箔條云可視化建模技術,提出了一種適用于射頻仿真系統的高分辨雷達箔條云模型的構建方法,該方法可為末制導雷達抗箔條干擾半實物仿真提供模型支撐,也可為箔條彈的設計提供參考。

本文針對不同箔條根數和不同距離分辨率情況,在同一力學模型的驅動下,對箔條云某一時刻的一維距離像仿真結果進行了對比分析。仿真結果與理論和工程實踐趨勢一致,且箔條云回波能量存在一定的起伏,但起伏特性未在本文中研究。本文所提方法主要優點是可構建1∶1的箔條云模型,利用3ds Max中不同條件下的力學模型驅動,經大量仿真計算,可得到不同氣象條件下各個時刻的箔條云回波模型。其主要缺點是在工程實踐中應用時需要耗費大量的計算資源,無論是對3ds Max還是對CST 來說,都需要很大的計算量。后續可基于此方法在箔條云的起伏特性、箔條云的距離-多普勒特性等方面展開深入研究。