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复杂目标电磁散射算法与特性仿真研究

作　者: 余定峰
导　师: 朱国强
学　校: 武汉大学
专　业: 无线电物理
关键词: 电磁散射矩量法物理光学-等效边缘流算法矩量法-物理光学混合算法雷达成像
分类号: O441.4
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

目标雷达散射截面(RCS)的缩减在军事领域具有重要的意义,是雷达对抗中的关键技术之一。将具有雷达吸波特性的介质薄层涂覆于导体目标外表面,以削弱目标散射电磁波的能量,并使电磁波尽可能地朝着无关的方向散射,这已成为复杂目标电磁隐身技术所追求的目标。介质薄层涂覆导体目标电磁散射问题是计算电磁学领域具有实际应用价值的课题,在雷达目标探测、电波传播以及高频天线设计等领域有着广泛的应用,同时也成为雷达反隐身领域所关心的研究课题,在电子对抗中有着广阔的应用前景。通过阻抗边界条件(IBC)将介质薄层涂覆导体目标等效为无厚度阻抗面,采用表面阻抗并矢给出切向电场和磁场矢量之间的关系,无需考察物体内部场分布便可计算物体外部散射场,避开了介质与导体复合目标中格林函数的推导和计算等难点问题,可将未知量限制在整个涂覆导体的外表面,便于采用表面电磁场积分公式实现电磁散射特性的高效求解,从而简化复杂结构电磁散射问题的分析和数值求解过程。本文基于阻抗边界条件,研究了介质涂覆不同电尺寸目标电磁散射算法及特性仿真。针对电小尺寸目标,提出了无限长任意形状截面非均匀各向异性阻抗柱面和介质涂覆三维导电目标电磁散射的矩量法(MoM),对于矩量法精确积分计算目标表面所有三角形面元之间的相互作用而效率低的问题,采用矢量多层UV分解技术,减少迭代求解矩阵方程时的矩阵-向量积运算,减少计算机内存需求和计算时间,从而有效提高计算效率,拓宽其应用范围；针对电大尺寸目标,将其电磁散射贡献划分为占主要地位的面散射贡献和占次要地位的边缘绕射贡献。采用双次反弹的物理光学(PO)算法求解面散射贡献,并通过任意斜入射情况下任意劈角阻抗直劈的一致性几何绕射理论(UTD)解导出有限长阻抗直劈边缘的增量长度绕射系数(ILDC)或等效边缘流(EEC),从而以边缘波场修正物理光学场,得到介质涂覆电大尺寸三维导电目标电磁散射的高频预估；针对介质涂覆中等电尺寸目标,提出了矩量法-物理光学(MoM-PO)混合算法解决方案。此外,基于本文提出的各类电磁散射理论算法,进行了地／海环境中目标的电磁散射特性预估及雷达成像仿真研究,对目标特性理论研究和雷达系统改善提供理论指导与数据支撑。本文内容主要包括：1)研究了介质涂覆电小目标电磁散射的MoM算法建模。包括无限长任意形状截面非均匀各向异性阻抗柱面电磁散射的MoM算法,介质涂覆三维导电目标电磁散射的MoM算法,以及矢量多层UV分解技术加速的介质涂覆导电目标电磁散射的MoM算法。2)研究了介质涂覆电大目标电磁散射的高频算法建模。包括阻抗平面电磁散射的双次反弹物理光学算法,以及有限长阻抗直劈蜡边缘绕射的增量长度绕射系数算法3)研究了介质涂覆中等电尺寸目标电磁散射的MoM-PO混合算法建模。将散射体上的边、角等不连续区域划归MoM区,而把其它光滑、连续的区域划归PO区,对于曲率无明显变化的目标,则可以将散射贡献较大的少量区域划归MoM区,则空间散射电磁场可等效为MoM区和PO区电磁流的辐射场。4)研究了地/海环境中目标的高频电磁散射特性及雷达成像仿真。采用基于双次反弹的PO-EEC算法实现目标与地/海环境复合散射的一体化高精度电磁建模,仿真得到地/海环境中目标的单站RCS以及高分辨率距离像(HRRP)/二维聚束合成孔径雷达(SAR)成像特性。

全文目录

摘要  6-8
Abstract  8-12
第一章绪论  12-21
  1.1 研究背景和意义  12-14
  1.2 国内外研究现状综述  14-18
  1.3 本文的研究工作及主要贡献  18-19
  1.4 本文结构安排  19-21
第二章介质涂覆电小目标电磁散射MoM算法  21-39
  2.1 引言  21
  2.2 介质涂覆二维电小导体柱电磁散射的MoM算法  21-26
  2.3 介质涂覆三维电小目标电磁散射的MoM算法  26-31
  2.4 多层UV分解技术加速MoM算法  31-35
  2.5 数值结果及讨论  35-38
  2.6 小结  38-39
第三章介质涂覆电大目标电磁散射PO-EEC算法  39-56
  3.1 引言  39
  3.2 介质涂覆电大目标电磁散射的双次反弹PO算法  39-44
    3.2.1 介质涂覆电大目标一次散射的PO算法  39-42
    3.2.2 介质涂覆电大目标二次散射的双次反弹PO算法  42-44
  3.3 阻抗直边缘绕射EEC  44-52
    3.3.1 阻抗直劈边缘UTD绕射系数  44-47
    3.3.2 阻抗直劈边缘PO绕射系数  47-49
    3.3.3 阻抗直边缘EEC  49-52
  3.4 数值结果及讨论  52-55
  3.5 小结  55-56
第四章介质涂覆中等电尺寸目标电磁散射MoM-PO算法  56-68
  4.1 引言  56
  4.2 介质涂覆中等电尺寸目标电磁散射的MoM-PO混合算法  56-62
    4.2.1 抗面电磁散射的混合方法表述  56-58
    4.2.2 MoM区与PO区电流耦合关系  58-60
    4.2.3 Galerkin匹配法得MoM区矩阵方程  60-62
  4.3 数值结果及讨论  62-67
  4.4 小结  67-68
第五章地/环境中目标电磁散射特性及雷达成像仿真  68-91
  5.1 引言  68
  5.2 地/海环境中目标电磁散射特性仿真  68-78
    5.2.1 地环境中目标电磁散射特性仿真  69-73
    5.2.2 海环境中目标电磁散射特性仿真  73-78
  5.3 地/海环境中目标雷达成像仿真  78-90
    5.3.1 地环境中目标雷达成像仿真  83-86
    5.3.2 海环境中目标雷达成像仿真  86-90
  5.4 小结  90-91
第六章总结与展望  91-93
参考文献  93-100
攻读博士学位期间发表和完成的论文  100-102
致谢  102

复杂目标电磁散射算法与特性仿真研究

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