一种飞机表面电磁敏感区识别方法与流程

1.本技术属于飞机设计技术领域，特别涉及一种飞机表面电磁敏感区识别方法。


背景技术：

2.低散射设计已成为现代飞机的标志属性，提高飞机低散射性能是飞机设计永恒的追求。在低散射设计方面，通常的低散射设计都是固定其中一些边界条件，对其他边界进行调整、寻优，寻优区域存在局限性，难以寻得最优解，且耗时、耗力，迫切需要一种科学的低散射设计边界寻优方法。
3.在低散射性能评估方面，通常需要简化模型、剖分网格，用数值分析的方法求解麦克斯韦方程，这种方法通常需要耗费较多的时间和资源，难以满足方案快速迭代需求，缺少一种直观的、快速的边界寻优方法，及低散射性能评估方法，影响飞机设计中方案迭代的效率，这已经是瓶颈问题。因此，建立一种快速的低散射性能寻优方法，加速方案迭代尤为必要。
4.飞机低散射设计的本质是飞机散射源的控制问题，当飞机布局外形基本确定，机载设备分区布置、表面电磁缺陷的分区控制、低散射材料的分布应用将成为低散射设计中的关键问题。未来飞机对低散射性能的要求越来越高，传统大量依靠经验的设计寻优方法已越来越难满足需求。


技术实现要素：

5.为了解决上述问题，本技术提供了一种飞机表面电磁敏感区识别方法，识别出需要低散射设计的重要敏感区域，从而为低散射设计提供依据。该方法主要包括：步骤s1、在飞机正前方设置有平行于机体坐标系下的yoz平面的面板，所述面板上设置有均匀密度的射线源，通过射线源以平行于飞机x轴的方向射向机体表面；步骤s2、统计机体表面的射线落点密度，形成分别占比三分之一的落点密度最高的光照区、落点密度最低的阴影区以及介于两者之间的过渡区；步骤s3、在catia软件中，采用射线模拟电磁波，在机体正前方以平行于飞机x轴的方向射向机体表面，赋予每条射线初始的入射能量，并计算所述射线在照射到机体表面后的出射能量；步骤s4、统计出射能量占比入射能量60%以上的区域为高散射区域；步骤s5、将所述高散射区域，或者所述光照区与所述过渡区作为飞机表面电磁敏感区。
6.优选的是，步骤s2中，通过将射线落点投影到云图中，通过云图统计所述光照区、阴影区及过渡区。
7.优选的是，步骤s5中，将所述高散射区域与所述光照区重叠的区域，以及将所述高散射区域与所述过渡区重叠的区域作为飞机表面电磁敏感区。
8.优选的是，将所述高散射区域与所述光照区重叠的区域作为第一敏感区，将所述
高散射区域与所述过渡区重叠的区域作为第二敏感区，将剩余的高散射区域作为第三敏感区，所述第一敏感区相比于所述第二敏感区的低散射设计强度要高，所述第二敏感区相比于所述第三敏感区的低散射设计强度要高。
9.优选的是，所述低散射设计强度高是指在飞机表面设计密度更高的天线、对飞机表面添加吸波程度更高的涂层材料，或者对飞机表面添加更厚的涂层中的至少一种方式。
10.优选的是，步骤s5进一步包括：步骤s51、获取给定的预设计为飞机表面敏感区的区域s1的面积；步骤s52、获取所述高散射区域与所述光照区重叠的区域s2的面积；步骤s53、若区域s1的面积小于区域s2的面积，则在区域s2中按落点密度选取密度靠前的面积大小为s1的区域作为飞机表面电磁敏感区，或者在区域s2中按出射能量占比入射能量的比值选取比值靠前的面积大小为s1的区域作为飞机表面电磁敏感区；步骤s54、若区域s1的面积大于区域s2的面积，则计算区域s1与区域s2的面积差值s，自所述高散射区域的抛除重叠区域后的区域中选择大小为s*a的区域作为第一补偿区域，自所述光照区的抛除重叠区域后的区域中选择大小为s*b的区域作为第二补偿区域，由区域s1、所述第一补偿区域及所述第二补偿区域共同构成飞机表面电磁敏感区，其中，a为高散射区域补偿权重，b为光照区补偿权重，a b=1。
11.优选的是，a为0.8，b为0.2。
12.优选的是，步骤s54中，形成所述第一补偿区域包括，在所述高散射区域的抛除重叠区域后的区域中按照落点密度选取密度靠前的区域作为第一补偿区域。
13.优选的是，步骤s54中，形成所述第二补偿区域包括，在所述高散射区域的抛除重叠区域后的区域中按出射能量占比入射能量的比值选取比值靠前的区域作为第二补偿区域。
14.本技术通过结合catia中的射线模拟电磁波与统计射线分布两种方式，寻求最优设计边界，评估低散射性能。有效的解决了机载设备分区布置、表面电磁缺陷的分区控制、低散射材料的分布应用、低散射性能的快速评估等关键问题，初步构建了一套低散射设计优化方法。该方法已应用于飞机的低散射设计中。
附图说明
15.图1为本技术飞机表面电磁敏感区识别方法的一优选实施例的流程图。
具体实施方式
16.为使本技术实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施方式中的附图，对本技术实施方式中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施方式是本技术一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。基于本技术中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本技术保护的范围。下面结合附图对本技术的实施方式进行详细说明。
17.本技术提供了一种飞机表面电磁敏感区识别方法，如图1所示，主要包括：
步骤s1、在飞机正前方设置有平行于机体坐标系下的yoz平面的面板，所述面板上设置有均匀密度的射线源，通过射线源以平行于飞机x轴的方向射向机体表面；步骤s2、统计机体表面的射线落点密度，形成分别占比三分之一的落点密度最高的光照区、落点密度最低的阴影区以及介于两者之间的过渡区；步骤s3、在catia软件中，采用射线模拟电磁波，在机体正前方以平行于飞机x轴的方向射向机体表面，赋予每条射线初始的入射能量，并计算所述射线在照射到机体表面后的出射能量；步骤s4、统计出射能量占比入射能量60%以上的区域为高散射区域；步骤s5、将所述高散射区域，或者所述光照区与所述过渡区作为飞机表面电磁敏感区。
18.首先需要说明的是，机体坐标系是在建立飞行器运动方程或表示飞机上各位置时，为了确定相对位置、速度、加速度和外力矢量的分量等而建立的。常用坐标轴系均采用右手直角坐标系。为了描述飞机的运动状态，必须选择适当的坐标系，在步骤s1中，涉及的坐标系为本领域技术人员常用的机体坐标系oxyz，这是固定在飞机机体上的一个坐标系,原点取在飞机的重心，x轴与飞机纵轴一致，指向飞机前方；y轴垂直于飞机对称面并指向右方；z轴在飞机对称面内并且垂直于纵轴，指向下方。
19.另外需要说明的是，设置在机体正前方的面板要足够大，至少要保证面板上的射线源在沿机体坐标系的x轴照向飞机时，能够覆盖飞机机体所有表面。
20.本技术在步骤s1及步骤s2中，通过落点密度选取光照区和/或过渡区作为一类飞机表面电磁敏感区，确定各个电磁敏感区的边界；在步骤s3及步骤s4中，通过catia中的射线模拟电磁波来选取高散射区域作为另一类飞机表面电磁敏感区，确定各个电磁敏感区的边界；通过步骤s5在这两类飞机表面电磁敏感区中选择最终的飞机表面电磁敏感区。备选实施方式中，上述两种分区边界寻优策略可以单独使用，也可以结合使用，以下分别进行说明。
21.一、基于射线落点分布统计的分区边界寻优策略机载设备、表面电磁缺陷是低散射设计中的重要要素。为了兼顾低散射、性能要求，在低散射设计中对机载设计进行分区布置。为兼顾低散射和制造的要求，在低散射设计中对表面电磁缺陷进行分区控制。对于分区控制来说，其关键点在于获得飞机表面的光照区、过渡区、阴影区等区域的边界。传统的设计中，通常采用在catia中目视、选点、连线的方式，费时、耗力、精度低，且无法准确定义过渡区域，这些粗放式的设计方式已经难以满足越来越高的低散射指标要求，迫切需要寻求一种精细化的分区边界获取方式。低散射材料的应用是飞机低散射设计的关键环节，低散射材料的厚度与低散射性能直接相关，但低散射材料厚度的增加也会带来重量的代价。通常采用低散射材料分布应用，以在重量和性能之间取得平衡点，而低散射材料分布应用的关键是找到飞机上的关键散射点，在关键位置应用厚或者性能好的材料，将“好钢用在刀刃上”，实现低散射性能的最优。
22.在基于射线落点分布统计的分区边界寻优策略方面，将飞机表面电磁波光照区、过渡区、阴影区分区问题转化为射线落点密度的问题。综合飞机使用频率最高的姿态角，在飞机前方设置足够大平面，在平面上均匀选取海量点，沿点向飞机表面做平行与x轴的射线，最后统计射线落点密度，密度最高的区域为光照区，其次为过渡区，密度最低的区域为
阴影区。该策略可以单独用于指导飞机的天线布置、表面电磁缺陷分区控制以及低散射材料的应用方案，获得了良好的效果。
23.二、基于能量追踪的低散射性能快速评估策略该策略主要基于蒙特卡罗方法，通过catia中的射线模拟电磁波，并赋予每条射线初始能量，追踪射线能量的损失情况，最终统计出射射线的能量值，对比入射能量和出射能量的值，获得rcs散射量值。出射能量越大，对应的飞机表面区域越敏感，通常情况下，入射能量等效为1时，出射能量超过0.6则认为是电磁敏感区域。
24.值得说明的是，采用该方法不需要简化模型，可以考虑飞机的复杂结构，例如发动机叶片、结构厚度等。通过该方法可以大幅简化飞机低散射性能评估流程，直接在catia中即可完成评估；且可以不简化模型，模拟最真实的飞机状态；大幅提升了评估效率，将原来需要数天的低散射性能评估时间缩短仅需几分钟。
25.在一些可选实施方式中，步骤s2中，通过将射线落点投影到云图中，通过云图统计所述光照区、阴影区及过渡区。本实施例中，通过云图可以直观的看出飞机表面哪些区域属于光照区，哪些区域属于阴影区。
26.在一些可选实施方式中，步骤s5中，将所述高散射区域与所述光照区重叠的区域，以及将所述高散射区域与所述过渡区重叠的区域作为飞机表面电磁敏感区。该实施例中，通过步骤s5将基于射线落点分布统计的分区边界寻优策略形成的光照区及过渡区，与基于能量追踪的低散射性能快速评估策略形成的高散射区域进行结合，将重叠区域作为飞机表面电磁敏感区。备选实施方式中，也可以将基于射线落点分布统计的分区边界寻优策略形成的光照区及过渡区，与基于能量追踪的低散射性能快速评估策略形成的高散射区域均作为飞机表面电磁敏感区。
27.在一些可选实施方式中，将所述高散射区域与所述光照区重叠的区域作为第一敏感区，将所述高散射区域与所述过渡区重叠的区域作为第二敏感区，将剩余的高散射区域作为第三敏感区，所述第一敏感区相比于所述第二敏感区的低散射设计强度要高，所述第二敏感区相比于所述第三敏感区的低散射设计强度要高。
28.在一些可选实施方式中，所述低散射设计强度高是指在飞机表面设计密度更高的天线、对飞机表面添加吸波程度更高的涂层材料，或者对飞机表面添加更厚的涂层中的至少一种方式。
29.可以理解的是，上述实施例进一步将电磁敏感区划分为不同敏感程度的区域，进而有针对性的进行低散射设计，例如在飞机表面的第一敏感区处设计的涂层更厚，在第二敏感区设计的涂层厚度次之，在第三敏感区设计的涂层最薄。
30.在一些可选实施方式中，步骤s5进一步包括：步骤s51、获取给定的预设计为飞机表面敏感区的区域s1的面积；步骤s52、获取所述高散射区域与所述光照区重叠的区域s2的面积；步骤s53、若区域s1的面积小于区域s2的面积，则在区域s2中按落点密度选取密度靠前的面积大小为s1的区域作为飞机表面电磁敏感区，或者在区域s2中按出射能量占比入射能量的比值选取比值靠前的面积大小为s1的区域作为飞机表面电磁敏感区；步骤s54、若区域s1的面积大于区域s2的面积，则计算区域s1与区域s2的面积差值s，自所述高散射区域的抛除重叠区域后的区域中选择大小为s*a的区域作为第一补偿区
域，自所述光照区的抛除重叠区域后的区域中选择大小为s*b的区域作为第二补偿区域，由区域s1、所述第一补偿区域及所述第二补偿区域共同构成飞机表面电磁敏感区，其中，a为高散射区域补偿权重，b为光照区补偿权重，a b=1。
31.对于该实施例，以下列举两个子实施例进行说明。
32.子实施例一，该实例中，步骤s51用于获取顶层设计给定的低散射目标，例如打算在飞机表面10%的区域s1执行表面涂层的低散射设计方案。而根据本技术步骤s1-步骤s4的描述可知，光照区面积约为33%，而高散射区域面积假设为60%，两者重叠区域s2假设为20%，由此可知需要在这20%的重叠区域s2中，选取10%的区域作为最终的设计区域。为此，在步骤s53中，从这20%的重叠区域s2中，可以按照落点密度选取密度靠前的面积大小为10%的区域作为飞机表面电磁敏感区，另一备选实施方式中，也可以在这20%的区域s2中按出射能量占比入射能量的比值选取比值靠前的面积大小为10%的区域作为飞机表面电磁敏感区。
33.子实施例二，该实施例中，步骤s51用于获取顶层设计给定的低散射目标，例如打算在飞机表面50%的区域s1执行表面涂层的低散射设计方案。而根据本技术步骤s1-步骤s4的描述可知，光照区面积约为33%，而高散射区域面积假设为60%，两者重叠区域s2假设为20%，由此可知需要继续选取30%的区域补偿到重叠区域s2中，以与这20%的重叠区域共同构成50%的飞机表面电磁敏感区。为此，在步骤s54中，首先确定在60%的高散射区域中去除20%的重叠区域后，还剩40%的第一区域；在33%的光照区中去除20%的重叠区域后，还剩约13%的第二区域；之后对这需要补偿的30%的区域根据权重进行划分补偿，比如按照0.8的权重从第一区域中选择24%的区域作为第一补偿区域，按照0.2的权重从第二区域中选择6%的区域作为第二补偿区域。
34.在其它备选实施方式中，a与b也可以均设计为0.5，权重a与b的值表明了上述两种策略的重要程度。
35.在一些可选实施方式中，步骤s54中，形成所述第一补偿区域包括，在所述高散射区域的抛除重叠区域后的区域中按照落点密度选取密度靠前的区域作为第一补偿区域。仍以上述案例进行说明，在按照0.8的权重从第一区域中选择24%的区域作为第一补偿区域过程中，优选的是从第一区域中按照落点密度选取密度靠前的区域，从而兼顾了上述两种策略。同理，步骤s54中，形成所述第二补偿区域包括，在所述高散射区域的抛除重叠区域后的区域中按出射能量占比入射能量的比值选取比值靠前的区域作为第二补偿区域，即在按照0.2的权重从第二区域中选择6%的区域作为第二补偿区域中，优选的是从第二区域中按出射能量占比入射能量的比值选取比值靠前的区域，同样兼顾了上述两种策略。
36.另外需要说明的是，对于上述实施例，若按照比例在第一区域无法选取出足够面积的区域作为第一补偿区域，则从第二区域中选取补偿，对应的，如果按照比例在第二区域中无法选取出足够面积的区域作为第二补偿区域，则从第一区域中选取补偿。若仍不满足条件，则修改初始参数，例如修改步骤s4中的高散射区域的选取参数，将出射能量占比入射能量50%（或更低）以上的区域作为高散射区域。
37.本技术通过结合catia中的射线模拟电磁波与统计射线分布两种方式，寻求最优设计边界，评估低散射性能。有效的解决了机载设备分区布置、表面电磁缺陷的分区控制、低散射材料的分布应用、低散射性能的快速评估等关键问题，初步构建了一套低散射设计优化方法。该方法已应用于飞机的低散射设计中。
38.虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本技术作了详尽的描述，但在本技术基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本技术精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本技术要求保护的范围。