基于高频近似的粗糙目标及粗糙（海）面与目标复合电磁散射研究

发布时间：2020-04-23 15:14

【摘要】：雷达目标特性包括目标及其与环境复合电磁散射特性。影响目标电磁散射特性的因素主要有几何外形、材质以及表面形态等。本文基于高频近似算法研究了具有粗糙表面涂覆目标的太赫兹频段电磁散射特性,探讨了在实际喇叭天线照射下目标的近场散射特性,即考虑天线远场方向图修正的表面粗糙目标太赫兹散射。使用矩量法与物理光学法(MoM-PO)混合算法研究了精确建模下分区域目标与粗糙面复合散射问题。在此基础上采用半确定性面元法(SDFSM)、弹跳射线法(SBR)结合考虑阻抗边界条件的物理绕射理论(PTD)混合方法对复杂涂覆目标与电大尺寸海面复合散射问题进行了研究。论文的主要工作如下:1、轴向表面粗糙目标的建模和太赫兹散射计算。一般物体表面在太赫兹频段都呈现微小起伏,不能被视为光滑表面处理。区别于以往经验公式修正处理方案,借鉴随机粗糙面建模的基本思想,建立表面具有一定粗糙度的旋转对称目标模型。采用考虑阻抗边界条件的物理光学法,研究了轴向具有分形粗糙表面的涂覆目标太赫兹散射特性。首先,利用分形粗糙面理论建立表面粗糙钝锥、圆锥和锥柱等具有旋转对称结构的目标模型;其次,根据入射波频率对建立的表面粗糙目标进行满足物理光学准则的网格剖分;最后,由菲涅尔反射定律和边界条件求得表面感应电磁流,进而计算涂覆粗糙目标的雷达散射截面。本文还对比分析了表面粗糙目标与光滑目标的散射结果,详细讨论了不同涂覆介质、不同涂层厚度、不同入射角度、不同入射频率、以及不同粗糙度的表面粗糙钝锥、圆锥目标和锥柱目标等模型太赫兹散射,进一步分析了具有分形和高斯粗糙表面的锥柱目标太赫兹频段的散射特性差异。2、三维随机粗糙表面目标的建模和太赫兹散射计算。将粗糙面建模理论引入粗糙表面目标建模。首先,依据目标的形状对水平粗糙面几何数据进行坐标变换,建立具有高斯粗糙表面的简单目标模型。对于外形复杂目标则先利用计算机辅助软件(CAD)建立光滑目标几何轮廓,并对其进行网格剖分,再将每一个剖分面元向三坐标平面投影,并分别对投影面元粗糙化,在此基础上使用叠加法得到表面粗糙目标模型。最后,采用物理光学方法计算并分析其在不同入射角、不同粗糙度和不同频率下的散射特性。3、考虑天线辐射特性的目标近场散射研究。首先,介绍了远近场的划分依据;其次,借助FEKO软件建立并获取圆锥喇叭天线口径场分布,利用面天线辐射理论,计算了基于口径场的圆锥喇叭天线全空域内任意一点的场,给出了圆锥喇叭天线照射下与天线口面距离不同、与天线主辐射方向夹角不同情况下目标的散射场,并对比其与远场散射情况下的异同;最后,采用修正距离项的物理光学方法计算了考虑天线方向图影响下表面粗糙涂覆目标太赫兹频段近场散射特性。4、复杂漂浮目标与粗糙面的复合散射研究。首先,基于粗糙面点云数据建立随机粗糙曲面,借助CAD软件将其与目标模型进行布尔运算去除重叠部分得到漂浮目标与粗糙面统一复合模型;其次,采用分区域方案将目标和与之相邻的粗糙面部分划分为区域一,其余部分划分为区域二。区域一中目标与粗糙面的相互耦合作用较强,在该区域采用MoM求解;对于目标与粗糙面耦合较弱的区域二采用PO方法进行散射计算,形成高低频混合的MoM-PO方法研究复杂漂浮目标与粗糙面复合散射的计算方案,在此基础上,分析了不同粗糙面参数、不同区域划分方案下目标与粗糙面复合散射结果的差异。5、复杂涂覆目标与大区域粗糙(海)面的复合散射研究。计算区域的扩增将使剖分面元数量迅速增加,进而使得数值算法中未知量激增,导致求解变得极其困难。本章采用高频与高频混合方法对大区域粗糙面使用基于双尺度思想的半确定性面元法(SDFSM)进行计算,对目标采用弹跳射线(SBR)和考虑阻抗边界条件的物理绕射理论(PTD)相结合方法进行散射计算。在此基础上,建立了电大尺寸海面与飞机复合模型,采用考虑不同耦合路径的弹跳射线法,有效计算了不同海况、不同目标高度以及不同的入射条件下目标与大区域粗糙面的复合散射。
【图文】：

光学法基本理论(第二章)图1.1 论文结构框架图本文采用je t为时谐因子。1.3.2 论文的主要贡献1、将随机粗糙面的建模理念应用到具有粗糙表面的目标建模中，，对生成的随机粗糙面进行坐标变换导入 CAD 建模软件建立具有粗糙表面的目标模型。并研究了涂覆表面粗糙目标在太赫兹波段的散射特性。目标表面的粗糙度在太赫兹波段对其散射特性有较大的影响。三维复杂目标采用先建模剖分，对于每个小面元分别投影在三个坐标平面，对各个投影区域分别进行变换，生成相应的表面粗糙目标。2、将分区域模型应用于三维导体粗糙面和目标的复合散射研究中。针对漂浮目标与粗糙面复合的情况，借助 CAD 软件工具对目标与粗糙面的交叠区域进行相应布尔运算操作建立更为精确的整体复合模型。分区域模型对于目标以及与目标临近的粗糙面强耦合区域采用矩量法，对距离目标较远耦合较弱的粗糙面部分采用物理光学法。相对于全部模型采用矩量法减小了未知量个数，在保证计算精度的同时减小内存消耗，节省了计算时间。3、对于具有复杂结构的涂覆目标与粗糙面复合散射模型

球面单站雷达散射截面对比
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O441.4

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本文编号：2637871