目標電磁散射特性的快速計算方法研究.pdf

1、目標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計和天線罩設計的重要研究內容。隨著計算機技術的發(fā)展，計算機仿真已成為設計的重要手段，并開創(chuàng)了計算電磁學領域。本文主要研究了目標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，本文研究了隨機粗糙面環(huán)境下目標和隨機粗糙面復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)結合矩陣分解算法(MDA)快速計算目標的差場散射。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和粗糙面之間的互作用矩陣進行壓縮，從而節(jié)省計算時間和內存需求。針對三維散射問題，利用高階疊層基函數(shù)對目標表面的感應電流和介質粗糙面表面的電磁流進行展開，進而可以利用較大的網(wǎng)格單元對目標和粗糙面進行建模，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造了一種多重網(wǎng)格預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)格細分獲得嵌套網(wǎng)格，并在各層網(wǎng)格的內邊上定義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造一個旋度基函數(shù)，并展開成細層網(wǎng)格RWG基函數(shù)的組合，利用展開系數(shù)構造第二套插值、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償和恢復技術的快速物理光學(FPO)以及多層物理光學(MLPO)方法在寬頻帶、寬角度雷達散射截面(RCS)分析中的應用。該方法首先在頻率、角度采樣點上計算經(jīng)過相位補償后的場，相位補償?shù)囊胧菫榱讼e分項中的快速相位震蕩，然后利用插值技術計算在所需的頻率\角度上的場值，最后對插值后的場值進行相位恢復。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償場，這些采樣點處的場形成了一個二維矩陣，進一步研究發(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行壓縮。本文利用自適應交叉近似算法(ACA)對各層矩陣進行壓縮并取得了較好的計算效果。另一方面，本文將FPO方法中相位補償和恢復的技術推廣到彈跳射線法(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行坐標變換獲得新的模型，然后利用FPO的相位補償與恢復技術獲得寬頻帶RCS。
　　最后，本文研究了大型金屬桁架加介質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（目標尺寸相對電波長很大）結構，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罩對遠場的貢獻，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，且認為金屬桁架無限長，所以會導致建模誤差，尤其是在金屬桁架之間連接的部分。另外對于圓柱結構的金屬桁架，感應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)值方法計算感應電流率，導致計算時間增加。本文利用物理光學法(PO)計算金屬桁架對遠場的貢獻，克服了建模誤差。并且利用口徑面-表面積分(AI-SI)方法計算介質罩對遠場的貢獻，利用拉格朗日插值技術加速計算不同角度下的透射系