复杂目标电磁散射的FDTD改进算法与测试技术

发布时间：2020-08-17 13:52

【摘要】：隐身与反隐身对抗在现代电子战中的地位极其重要,目标的电磁散射特性研究是设计开发隐身武器装备、反隐身雷达系统和武器作战评估的基础。为了获取目标电磁散射特性的数据,需要通过理论计算和试验测试的手段来完成,尤其是复杂目标还要进行比对验证,才能获得可信度更高的数据。本文正是围绕这两个方面开展研究,在理论计算方面,本文对传统时域有限差分算法的改进变形,削弱了该算法的稳定性条件,降低了计算内存,提高了运算效率,然后在此基础上,使用改进算法对某型飞机的电磁散射特性进行了仿真计算；在试验测试方面,探索研究了外场静态、动态RCS测试的方法,并将GPS反演误差改正方法应用于获取被测目标的准确位置,提高了测试数据的置信度,降低了试验成本。最后将仿真数据与试验测量数据进行了对比分析,两者的吻合度较好,从而证明用本文所提出的方法来获取复杂目标电磁散射特性的可行性。论文的主要内容包括以下几个方面：1.研究了时域有限差分FDTD算法的基本原理和计算时要涉及到的关键性要素,并分析了PML、UPML、CPML在FDTD算法中的吸波性能,确定将CPML吸收边界条件引入到后续算法的研究中。2.提出了交替方向隐式减缩时域有限差分算法(ADI-R-FDTD方法),详细推导了二维TE波、三维电磁波中ADI-R-FDTD的基本差分方程,并对其稳定性条件和数值色散进行了研究。将基于辅助场的复频域完全匹配层(CFS-PML)引入到ADI-FDTD算法中,提出了ADI-CPML,并比较了ADI-CPML与其它吸收边界条件对外向波的吸收性能差异。将ADI-CPML与ADI-R-FDTD算法进行了结合,通过算例说明了ADI-R-FDTD算法在内存占有量和计算时间上优于传统的FDTD算法和ADI-FDTD算法。3.提出了混合显隐式时域有限差分算法(HIE-FDTD方法),详细推导了二维TE波、三维电磁波中HIE-FDTD方法的基本差分方程。将基于辅助场的复频域完全匹配层(CFS-PML)引入到HIE-FDTD算法中,推导了其在2维TE波、3维电磁波中的具体差分实现,并比较了CPML-HIE与其它不同吸收边界条件对外向波吸收性能的差异。将HIE-FDTD引入到周期结构电磁散射特征的计算中,针对周期边界带来的非三对角对称问题,使用了Sherman-Morrison公式,将大型稀疏矩阵方程转化成三对角方程进行求解,简化了计算复杂度。4.提出了全尺寸实时校正地平场测量方式,在相对标校的基础上,通过设定距离波门实现了对标准体的同步测试,减少了标校和测试时间的不同步性造成的误差。在测试时采用了基于单频反演误差改正方法,获取了更精确的RCS测量数据,降低了测试成本。实施测量获取了目标的全尺寸静态RCS数据；通过规划飞机的飞行航线,有效降低了动态测量数据统计的复杂性,给出了动态测量流程,实施测量获取了目标的全尺寸动态RCS数据。5.建立了该型飞机的ADI-R-FDTD算法及HIE-FDTD算法的计算模型,获取了其雷达散射截面(RCS)仿真数据,比较了两种算法的相对计算精度和计算效率,并将两种算法的计算结果与试验测试结果进行了对比分析。结果表明,在测量雷达所允许的误差范围内,计算结果和测量结果的吻合度比较高,进而证明了用本文所提出的方法进行复杂目标电磁散射特性仿真的可行性。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TJ06

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本文编号：2795412