目標(biāo)電磁散射特性的快速計算方法研究.pdf

1、目標(biāo)的電磁散射特性和天線罩對天線輻射特性的影響是飛行器外形設(shè)計和天線罩設(shè)計的重要研究內(nèi)容。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計算機(jī)仿真已成為設(shè)計的重要手段，并開創(chuàng)了計算電磁學(xué)領(lǐng)域。本文主要研究了目標(biāo)的電磁散射特性和大型天線罩對天線輻射性能影響的高效計算方法。
　　首先，本文研究了隨機(jī)粗糙面環(huán)境下目標(biāo)和隨機(jī)粗糙面復(fù)合模型的電磁散射特性。針對二維散射問題，提出了用特征基函數(shù)(CBF)結(jié)合矩陣分解算法(MDA)快速計算目標(biāo)的差場散射。在本方法中，用

2、特征基函數(shù)(CBF)計算粗糙面上感應(yīng)電流，并利用矩陣分解算法(MDA)對粗糙面非自作用組形成的矩陣以及目標(biāo)和粗糙面之間的互作用矩陣進(jìn)行壓縮，從而節(jié)省計算時間和內(nèi)存需求。針對三維散射問題，利用高階疊層基函數(shù)對目標(biāo)表面的感應(yīng)電流和介質(zhì)粗糙面表面的電磁流進(jìn)行展開，進(jìn)而可以利用較大的網(wǎng)格單元對目標(biāo)和粗糙面進(jìn)行建模，合理地選取基函數(shù)階數(shù)和網(wǎng)格剖分尺寸可以有效地降低計算時間，另外利用多層快速多極子算法(MLFMA)加速矩陣矢量乘。
　　其次，

3、利用MLFMA方法的近場矩陣元素構(gòu)造了一種多重網(wǎng)格預(yù)條件算子以加速迭代求解的收斂速度。該方法首先通過網(wǎng)格細(xì)分獲得嵌套網(wǎng)格，并在各層網(wǎng)格的內(nèi)邊上定義RWG基函數(shù)，將粗層網(wǎng)格上RWG基函數(shù)表示成細(xì)層網(wǎng)格RWG基函數(shù)的組合以獲得展開系數(shù)，并利用該展開系數(shù)構(gòu)造第一套插值、限制算子和粗網(wǎng)格矩陣。同時在粗網(wǎng)格的每條邊的中點上構(gòu)造一個旋度基函數(shù)，并展開成細(xì)層網(wǎng)格RWG基函數(shù)的組合，利用展開系數(shù)構(gòu)造第二套插值、限制算子和粗網(wǎng)格矩陣。然后利用這兩套算子消

4、除迭代誤差中的低頻分量，加快迭代收斂速度。
　　再次，本文研究了基于相位補(bǔ)償和恢復(fù)技術(shù)的快速物理光學(xué)(FPO)以及多層物理光學(xué)(MLPO)方法在寬頻帶、寬角度雷達(dá)散射截面(RCS)分析中的應(yīng)用。該方法首先在頻率、角度采樣點上計算經(jīng)過相位補(bǔ)償后的場，相位補(bǔ)償?shù)囊胧菫榱讼e分項中的快速相位震蕩，然后利用插值技術(shù)計算在所需的頻率\角度上的場值，最后對插值后的場值進(jìn)行相位恢復(fù)。在分析掃頻-掃角或掃角-掃角問題中，MLFPO方法需要在各

5、層計算采樣點處的相位補(bǔ)償場，這些采樣點處的場形成了一個二維矩陣，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)該矩陣是一個低秩矩陣(rank deficient)，因此可以利用矩陣低秩壓縮方法對其進(jìn)行壓縮。本文利用自適應(yīng)交叉近似算法(ACA)對各層矩陣進(jìn)行壓縮并取得了較好的計算效果。另一方面，本文將FPO方法中相位補(bǔ)償和恢復(fù)的技術(shù)推廣到彈跳射線法(SBR)中以快速計算寬頻帶的RCS。和FPO中的直接在物體表面積分計算不同，SBR方法中積分區(qū)域在射線管最終離開物體的位置

6、，因此不能直接利用FPO方法計算。本文對射線追蹤后的積分面進(jìn)行坐標(biāo)變換獲得新的模型，然后利用FPO的相位補(bǔ)償與恢復(fù)技術(shù)獲得寬頻帶RCS。
　　最后，本文研究了大型金屬桁架加介質(zhì)層天線罩對天線輻射性能的影響。由于天線罩屬于電大尺寸（目標(biāo)尺寸相對電波長很大）結(jié)構(gòu)，用MLFMA等全波方法很難快速分析，而高頻方法提供了快速的解決手段。高頻方法分別計算金屬桁架和介質(zhì)罩對遠(yuǎn)場的貢獻(xiàn)，在計算金屬桁架部分的散射場時，傳統(tǒng)的方法是利用感應(yīng)電流率理論

7、計算，但是該方法在建模時用線條代替金屬桁架，且認(rèn)為金屬桁架無限長，所以會導(dǎo)致建模誤差，尤其是在金屬桁架之間連接的部分。另外對于圓柱結(jié)構(gòu)的金屬桁架，感應(yīng)電流率尚且有解析的計算公式可用，但是對于其他截面形狀的桁架則需要通過數(shù)值方法計算感應(yīng)電流率，導(dǎo)致計算時間增加。本文利用物理光學(xué)法(PO)計算金屬桁架對遠(yuǎn)場的貢獻(xiàn)，克服了建模誤差。并且利用口徑面-表面積分(AI-SI)方法計算介質(zhì)罩對遠(yuǎn)場的貢獻(xiàn)，利用拉格朗日插值技術(shù)加速計算不同角度下的透射系