用于分析舰船平台导弹电磁兼容问题的算法研究

发布时间：2020-07-19 21:49

【摘要】：为了分析舰船武器平台的系统稳定性,需要获取其电磁特性,传统的评估方法是在真实的电磁环境下对其进行测量,但随着现代舰船集成度的不断提高,对其进行测量的成本越来越大,消耗大量的人力物力。因此,对复杂舰船平台的电磁仿真分析具有重要的价值,但此类问题给目前的数值仿真技术带来了巨大的挑战,一方面,舰船武器平台的规模往往达到数百乃至数千波长,属于电大尺寸目标问题;另一方面,由于平台集成度的不断提高,存在许多复杂的精细结构,属于多尺度问题。面对这两方面的挑战,基于矩量法的传统积分方程方法无法解决,而具备解决电大尺寸问题能力的多层快速多极子方法分析多尺度目标时往往不能收敛。为了给出有效的解决方案,满足上述实际工程需求,本文主要研究了用于分析多架飞机、导弹装载的船舰平台的电磁兼容问题的快速算法,通过改进传统的多层快速多极子方法来避免上述弊端,给出高效的解决方案,在保证其结果精度的情况下利用更少的硬件资源实现对此类问题的电磁分析。首先,本文将以一种新的区域分解方法为基础,对其进行改进,简化边界元素的处理,并结合自适应交叉近似算法对其阻抗矩阵进行加速处理,降低该方法对硬件资源的需求,提高计算效率。其次,由于复杂舰船平台上存在多尺度结构,采用上述传统的表面积分方程和共形的区域分解方法所得到的矩阵性态较差,在迭代求解中往往不能收敛。为了解决该问题,给出基于表面积分方程的不连续伽辽金方法,该方法与传统方法相比,允许网格非共形,给予网格划分极大的灵活性。此外,为了实现对具有多尺度结构的舰船目标的电磁仿真,将不连续伽辽金方法与多层快速多极子方法相结合,给出不连续伽辽金的快速多极子方法。该方法不但具备多层快速多极子方法的计算效率,同时也能够解决多尺度结构所带来的不收敛问题。为了进一步提高该方法的计算效率,从两方面进行优化处理,一方面将该方法进行并行化处理,充分利用多核处理器的计算能力;另一方面通过预处理改善矩阵条件数降低迭代求解时间。该方法经过稀疏近似逆预处理后,在迭代求解过程中具备了快速收敛的能力,并通过数值算例验证了该方法的正确性与高效性。本文最后给出了文中所述算法的软件实现,详细介绍了其所需要的运行环境、软件工作流程与求解器相关的参数配置,并通过直观的流程图给予清晰的说明,解释相关的输出文件。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN03;U674.703.5;TJ762.3
【图文】：

电磁问题,均匀介质,平面波,磁导率

Hinc) 照射在上面的电磁散射问题，如图2.1所示。其中区域中的介电常数为，磁导率为，区域中的电磁场表示为 (E1, H1)，均匀介质目标的介电常数为 , 磁导率为，区域中的电磁场表示为 (E2,H2)，由 Love 场等效原理（Love’s equivalence principle）可将原文题划分为外等效和内等效问题，再结合边界条件建立积分方程。图 2.1 任意均匀介质中目标物体在平面波照射下的电磁问题5

等效问题

东南大学硕士学位论文首先考虑外等效问题，保持区域参数不变，将区域的相关电磁参数替换为( , )，并且区域中的场强为零如图2.2，由唯一性定理可知，为了等效原问题，需图 2.2 外等效问题要在目标表面建立等效面电流和等效面磁流 M1：J1n1H1(2.1)M1E1n1(2.2)其中，n1表示目标表面的外法向量，原问题中目标在区域中产生的散射场等效为由等效面电流 J1和等效面磁流 M1在区域中产生的辐射场。由 Stratton-Chu 公式和格林定理可得到如下表达式：Es1(J1)∫ 2( )r r′J1(r′) r′(2.3)Es1(M1)∫ 2 r r′M1(r′) r′(2.4)Hs1(J1)∫ 2 r r′J1(r′) r′(2.5)Hs1(M1)∫ 2( )r r′M1(r′) r′(2.6)其中，分别表示区域的传播常数和波阻抗，表示单位并矢，源点 r′ ，场点 r

等效问题

1(2.11)同理，内等效问题存于与目标区域中，如图2.3所示。采用相同的方式保持区域图 2.3 内等效问题参数不变，将区域中的参数替换为 ( )，并将区域中的场强置为零，再根据唯一性定理，在目标表面表面建立等效电流 J2和等效面磁流 M2：J2n2H2(2.12)M2E2n2(2.13)其中，n2表示目标内表面法向量。此实，原问题中目标区域中的电磁场可由等效面电流 J2和等效面磁流 M2产生的辐射场表示，与外等效问题类似，由 Strattion-Chu场源关系和格林定理可得到如下关系：Es2(J2)∫ 2( )r r′J2(r′) r′(2.14)Es2(M2)∫ 2 r r′M2(r′) r′(2.15)Hs2(J

【参考文献】