一种基于射线追踪的复杂结构目标电磁散射仿真方法与流程

1.本发明设计电磁散射建模技术领域，具体涉及一种基于射线追踪的复杂结构目标电磁散射仿真方法。


背景技术：

2.雷达散射截面(radar cross section，rcs)是定量表征目标散射强弱的物理量，即目标对入射雷达波的有效散射截面积，它是目标的一种假想面积。rcs分析预估是根据各种电磁散射理论研究场景产生散射场的各种机理，并且利用各种近似计算方法和计算机技术定量估计目标的电磁散射特性。目前对于理想导体(pec)目标的高频rcs研究已日趋完善，但对于包含复杂材料与结构目标，如预警机天线罩及其内天线、机动车辆车窗玻璃及其内部结构，其高频电磁散射建模方法还有待进一步完善。入射雷达电磁波在遇到天线罩及车窗玻璃等透波材料结构时，会同时发生反射与折射现象，传输与散射过程非常复杂，建模难度较大。因此，以含复杂材料结构目标的真实散射机理为基础，建立逼真的含复杂材料结构目标的一体化电磁散射模型，具有重要的意义。
3.现有技术中对含复杂材料和结构目标的问题开展了电磁散射建模方法研究，研究方向涵盖物理光学、射线追踪等高频算法，以及多层快速多极子等数值算法等。但现有研究多是针对薄层介质涂覆目标，仅有的几篇针对天线罩等透波结构散射的文献也存在几何外形较小和求解效率过低等限制，无法推广到带罩预警机和含玻璃窗机动车等大尺寸复杂外形目标，使得现有技术方案的适用性受到很大限制。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了提供一种基于射线追踪的复杂结构目标电磁散射仿真方法。此方法旨在解决现有技术中无法推广到大尺寸复杂外形目标的电磁散射建模，使得电磁散射建模现有技术方法的适用性受限的问题。
5.为达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
6.一种基于射线追踪的复杂结构目标电磁散射仿真方法，包括：
7.步骤s1：对结构型透波材料的传输散射特性进行分析，建立结构型透波材料的传输散射特性数据点表；
8.步骤s2：建立复杂结构目标的几何模型，并对复杂结构目标的几何模型进行分析，按照材质特性将复杂结构目标区分为理想导体目标部件和结构型透波材料目标部件；
9.步骤s3：将所述结构型透波材料的几何特性由一个平面进行表征，将所述结构型透波材料的传输散射特性由所述传输散射特性数据点表进行描述；
10.步骤s4：复杂结构目标的射线追踪求解，根据射线追踪方法，对所述复杂结构目标的电磁散射特性进行分析求解。
11.优选的，在步骤s1中，所述传输散射特性数据点表通过传输矩阵方法解析求解获得或通过软件数值仿真方法获得。
12.优选的，所述传输矩阵方法解析求解包括：
13.步骤s11：所述结构型透波材料包括若干层介质，将所述若干层介质对电磁波的作用等效为若干级端口的网络级联，根据若干级端口的级联方程得到若干层介质的四端口网络系数；
14.步骤s12：根据所述若干层介质的四端口网络系数，得到所述若干层介质的透射系数和所述若干层介质的反射系数；
15.步骤s13：根据所述步骤s11和所述步骤s12，对所述结构型透波材料进行仿真，获取工作频率下所述若干层介质结构在不同观测角度下的复反射系数和复透射系数，将所述复反射系数和复透射系数以点表形式存储。
16.优选的，所述若干级端口的级联方程的表达式为：
[0017][0018]
式中：n表示结构型透波材料中介质的层数和网络级联的端口级数，
[0019]
a、b、c、d分别表示n层介质的四端口网络系数，
[0020]
a
k
、b
k
、c
k
、d
k
分别表示第k层介质的四端口网络系数，
[0021]
a
k
＝d
k
＝cos(δ
k
)，c
k
＝
‑
iη
k
sin(δ
k
)，i为虚数单位，
[0022]
δ
k
表示电磁波在第k层传播过程中所引起的相位差，
[0023][0024]
λ0为工作频率，n
k
为第k层的介电常数，h
k
为第k层的厚度，θ
i,k 1
为第k层的入射角；
[0025]
根据折射定律，θ
i,1
为电磁波的初始入射角，η
k
为第k层的波阻抗，ε0表示空气的介电常数，μ0表示空气的磁导率。
[0026]
优选的，在步骤s4中，所述复杂结构目标的射线追踪求解包括：
[0027]
步骤s41：将所述复杂结构目标的几何模型导入计算程序，从雷达入射方向向复杂结构目标的目标区域透射射线，利用所述射线模拟电磁波在复杂结构目标的目标区域的反射过程和透射过程；
[0028]
步骤s42：记录所述射线传播过程中与所述复杂结构目标的几何模型的若干次反射的交点信息和若干次透射的交点信息。
[0029]
优选的，所述交点信息包括交点的位置信息和交点的类型信息。
[0030]
优选的，当所述射线与所述理想导体目标部件相交时，发生全反射现象；当所述射线与所述结构型透波材料目标部件相交，发生透射现象。
[0031]
优选的，通过场强追踪对所述交点处的入射电场信息和出射电场信息进行求解。
[0032]
优选的，根据所述模拟电磁波的极化信息和所述复杂结构目标本体坐标系中所述模拟电磁波的入射角度信息，确定每一所述射线的入射电场；根据每一所述射线的入射电场，对不同材质特性下的所述复杂结构目标的几何模型的所述出射电场进行分析求解。
[0033]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0034]
本发明通过预先获得的结构型透波材料的传输散射特性数据点表来等效复杂目标中结构型介质透波材料对电磁波的影响，避免了单层或多层结构型介质透波材料而引起的复杂计算，扩展了适用范围，适用于复杂外形目标，同时加快了建模时的求解效率。
附图说明
[0035]
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：
[0036]
图1为本发明一实施例提供的一种基于射线追踪的复杂结构目标电磁散射仿真方法的流程示意图；
[0037]
图2为本发明一实施例提供的多层介质中的传输反射示意图；
[0038]
图3为本发明一实施例提供的多层介质透射系数示意图；
[0039]
图4为本发明一实施例提供的多层介质反射系数示意图；
[0040]
图5为本发明一实施例提供的复杂结构模型示意图；
[0041]
图6为本发明一实施例提供的组合体模型扫频雷达散射截面曲线。
具体实施方式
[0042]
以下结合附图1
‑
6和具体实施方式对本发明提出的基于射线追踪的复杂结构目标电磁散射仿真方法作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
[0043]
对附图1
‑
6进一步说明：图1为本发明一实施例提供的一种基于射线追踪的复杂结构目标电磁散射仿真方法的流程示意图；图2为多层介质中的传输与反射示意图，由图可见在多层结构型介质材料中，电磁波在各层分界面存在反射、折射现象，且各层介质之间存在多次反射现象，传输散射机理比较复杂。图3为一个5层介质壳随入射角度变化的透射系数曲线，该介质壳的各层的介电常数依次为[21.521.52]，磁导率为1，各层厚度均为0.1m，工作频率为3ghz，入射电磁波为垂直极化，图中实现为透射系数实部，虚线为虚部。图4为上述5层介质壳随角度变化的反射系数曲线。图5为建立的一个包含结构型透波材料介质壳与理想导体平板组合体模型，其中介质壳与平板的参数位置如图所示，立方体介质壳的厚度为5cm，相对介电常数为4.0
‑
0.5i，在建模过程中介质壳用一个包含反射及透射系数数据点表
的无厚度平面进行等效。图6为利用专利算法对组合体模型进行扫频计算得到的结果，计算中入射俯仰角90
°
，方位角0
°
，扫频参数1ghz到10ghz，步长20mhz。
[0044]
鉴于已有现有方法存在的不足，为了提高大尺寸复杂外形目标的电磁散射建模，解决现有技术方法适用性受限的问题，本实施例提供了一种基于射线追踪的复杂结构目标电磁散射仿真方法，包括以下步骤：
[0045]
步骤s1：对结构型透波材料的传输散射特性进行分析，建立结构型透波材料的传输散射特性数据点表；
[0046]
在步骤s1中，所述传输散射特性数据点表通过传输矩阵方法解析求解获得或通过软件数值仿真方法获得。
[0047]
所述传输矩阵方法解析求解包括：
[0048]
步骤s11：所述结构型透波材料包括若干层介质，将所述若干层介质对电磁波的作用等效为若干级端口的网络级联，根据若干级端口的级联方程得到若干层介质的四端口网络系数；
[0049]
步骤s12：根据所述若干层介质的四端口网络系数，得到所述若干层介质的透射系数和所述若干层介质的反射系数；
[0050]
步骤s13：根据步骤s11和步骤s12，对所述结构型透波材料进行仿真，获取工作频率下所述若干层介质结构在不同观测角度下的复反射系数和复透射系数，将所述复反射系数和复透射系数以点表形式存储。
[0051]
所述若干级端口的级联方程的表达式为：
[0052][0053]
式中：n表示结构型透波材料中介质的层数和网络级联的端口级数；
[0054]
a、b、c、d分别表示n层介质的四端口网络系数；
[0055]
a
k
、b
k
、c
k
、d
k
分别表示第k层介质的四端口网络系数；
[0056]
a
k
＝d
k
＝cos(δ
k
)，c
k
＝
‑
iη
k
sin(δ
k
)，i为虚数单位；
[0057]
δ
k
表示电磁波在第k层传播过程中所引起的相位差；
[0058][0059]
λ0表示工作频率，n
k
表示第k层的介电常数，h
k
表示第k层的厚度，θ
i,k 1
表示第k层的入射角；
[0060]
根据折射定律，θ
i,1
为电磁波的初始入射角，η
k
为第k层的波阻抗；
[0061][0062]
ε0表示空气的介电常数，μ0表示空气的磁导率。
[0063]
步骤s2：建立复杂结构目标的几何模型，并对复杂结构目标的几何模型进行分析，按照材质特性将复杂结构目标区分为理想导体目标部件和结构型透波材料目标部件；
[0064]
步骤s3：将所述结构型透波材料的几何特性由一个平面进行表征，将所述结构型透波材料的传输散射特性由所述传输散射特性数据点表进行描述；
[0065]
步骤s4：复杂结构目标的射线追踪求解，根据射线追踪方法，对所述复杂结构目标的电磁散射特性进行分析求解。
[0066]
在步骤s4中，所述复杂结构目标的射线追踪求解包括：
[0067]
步骤s41：将所述复杂结构目标的几何模型导入计算程序，从雷达入射方向向复杂结构目标的目标区域透射射线，利用所述射线模拟电磁波在复杂结构目标的目标区域的反射过程和透射过程；
[0068]
步骤s42：记录所述射线传播过程中与所述复杂结构目标的几何模型的若干次反射的交点信息和若干次透射的交点信息。
[0069]
所述交点信息包括交点的位置信息和交点的类型信息。
[0070]
当所述射线与所述理想导体目标部件相交时，发生全反射现象；当所述射线与所述结构型透波材料目标部件相交，发生透射现象。
[0071]
通过场强追踪对所述交点处的入射电场信息和出射电场信息进行求解。
[0072]
根据所述模拟电磁波的极化信息和所述复杂结构目标本体坐标系中所述模拟电磁波的入射角度信息，确定每一所述射线的入射电场；根据每一所述射线的入射电场，对不同材质特性下的所述复杂结构目标的几何模型的所述出射电场进行分析求解。
[0073]
采用射线追踪方法，进行含复杂结构材料目标对电磁波的反射与透射过程的分析求解。在将复杂结构材料目标导入计算程序之后，从雷达入射方向向目标区域透射射线，利用射线来模拟电磁波在复杂结构材料目标区域的反射与透射过程，当射线与理想导体目标相交时，发生全反射现象，反射过程遵循snell反射定律；当射线与结构型透波材料相交时发生透射现象。记录射线传播过程中与目标模型的多次反射及透射交点信息，包含交点的位置信息、交点的类型信息等。
[0074]
在完成交点信息求解之后，可以通过场强追踪，对射线各个交点处的入射及出射电场信息进行求解。首先根据电磁波的极化信息以及目标本体坐标系中电磁波的入射角度信息，确定每一射线的入射电场
[0075][0076]
式中，e
i
表示每一条射线的入射电场；
[0077]
e
θ
、表示入射电磁波的垂直极化分量和水平极化分量；
[0078]
表示直角坐标系的三个坐标单位矢量；
[0079]
表示球坐标系的三个坐标单位矢量；
[0080]
rts表示直角坐标系到球坐标系的转换矩阵。
[0081]
射线在目标表面首个交点的入射电场，可以通过式结合传播距离引起的相位延时实现求解。对于射线的多次反射或透射交点，采用相近的处理方法，利用射线在上个交点处的出射电场结合传播距离引起的相位延时可实现当前交点处入射电场幅相信息的求解。
[0082]
电磁波在理想导体表面发生反射时，可以根据理想导体表面边界条件结合入射电场实现对反射电场信息的求解。
[0083]
电磁波在结构型透波材料部件处发生透射时，根据前文分析，平行极化波和垂直极化波的透射特性存在差异，需要首先对入射电场进行极化分解，并分别计算平行极化分量和垂直极化分量的透射。入射电场的分解形式为：
[0084][0085]
式中，表示垂直极化方向的单位矢量；
[0086]
表示平行极化方向的单位矢量；
[0087]
表示当前入射点处的入射方向单位矢量；
[0088]
表示法向单位矢量。透射电场可以表示为
[0089][0090]
式中，和分别表示当前交点对应透波材料的垂直极化和平行极化的复电场传输系数，其数值可以通过查询上述建立的透波材料散射特性数据点表获得。
[0091]
在完成场强追踪之后，可以通过远场积分过程对金属表面反射出射贡献和透波材料表面反射或透射出射贡献进行累加，从而实现总散射场的求解。金属表面反射和透波材料表面反射或透射三类出射情况对总散射场的贡献均可以利用物理光学法实现求解。在物理光学法中，利用电磁波在目标表面激励的感应电流和感应磁流来代替目标本身，通过对感应电磁流散射场的积分实现总散射场的求解。其中对于透波材料表面出射贡献求解过程，需要考虑材料反射或透射系数对感应电磁流的影响。以透波材料表面反射出射贡献为例，入射电场在介质表面产生的感应电流和磁流分别满足
[0092][0093][0094]
式中，e
t
表示当前交点处的总电场；
[0095]
h
t
表示当前交点处的总磁场；
[0096]
γ
⊥
和γ
∥
分别表示介质的垂直极化和平行极化下的反射系数；
[0097]
为入射方向单位矢量；
[0098]
表示入射电场方向矢量；表示电场法向单位矢量；表示电场平行方向单位矢量；
[0099]
e
i
表示入射电场的幅度；
[0100]
z表示空间波阻抗，表示法向单位矢量。
[0101]
在求解过程中，结构型透波材料的反射系数和透射系数可以通过查询上述预先建立的透波材料散射特性数据点表获得。
[0102]
本实施例中首先对复杂结构目标中结构型透波材料的传输散射特性进行分析，利用传输矩阵方法或数值仿真方法，建立透波材料随频率和角度变化的反射及透射系数数据点表；其次对复杂的含结构型透波材料及理想导体的组合体目标进行简化处理，将结构型透波材料利用一个平面进行表征，其传输散射特性由上述预先建立的散射特性数据点表进行描述；之后利用射线追踪方法对复杂目标的电磁散射特性进行分析，当射线遇到透波材料时，在场强追踪与散射场计算过程中将介质材料的传输反射特性引入到场强求解过程中，进而实现含结构型透波材料目标的一体化电磁散射建模。
[0103]
综上所述，本实施例通过预先获得的结构型透波材料的传输散射特性数据点表来等效复杂目标中结构型介质透波材料对电磁波的影响，避免了单层或多层结构型介质透波材料而引起的复杂计算，适用于复杂外形目标，极大扩展了适用范围，同时加快了建模时的求解效率。
[0104]
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0105]
应当注意的是，在本文的实施方式中所揭露的装置和方法，也可以通过其他的方式实现。以上所描述的装置实施方式仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本文的多个实施方式的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用于执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
[0106]
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。