基于射线追踪的金属介质组合目标电磁散射计算方法技术

一种基于射线追踪的金属介质组合目标电磁散射计算方法，进行射线追踪，记录射线与目标的相交情况，判断射线与目标交点处的目标材质，如果材质为金属，直接进行电磁计算获得射线管的散射场，如果材质为介质，先计算透射波的传播矢量，再计算透射波的反射系数和透射系数，最后追踪透射射线，当射线离开目标再次进入自由空间时，计算其散射场。本发明专利技术基于电磁波的传播机理，通过射线追踪实现波在介质中的传播与透射精确仿真，提升了不能忽略厚度时介质散射问题的计算精度，兼顾计算精度与效率，能够满足实际工程中电大尺寸金属介质组合目标电磁散射计算的需求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及目标电磁散射特性领域，尤其涉及一种基于射线追踪的金属介质组合目标电磁散射计算方法。
技术介绍
金属介质组合目标的电磁散射问题的研究在目标特性、电磁兼容、雷达侦测、微波遥感、移动通信等方面有着广泛的应用。在隐身技术方面，具有吸波效应的介质材料已被越来越多地用作雷达吸波结构。采用数值方法计算介质电磁散射特性精度较高，但面临未知量数目巨大、迭代收敛性能较差等难题。对于工程应用中的电大尺寸金属介质组合目标的散射问题，高频近似方法的精度通常能够满足实际需要，具有很高的实用价值。在检索到的国内外公开及有限范围发表的文献中，有中国专利(CN104750956，专利技术名称：飞行器涂覆超薄吸波材料目标的时域回波特性分析方法)将飞行器表面电荷，超薄吸波材料体极化电流以及超薄吸波材料层的上下表面极化电荷在涂覆材料超薄的情况下均用飞行器表面电流密度来高精度近似表示，仅需对飞行器进行面网格剖分，整个积分方程只有飞行器表面电流密度一组未知量，从而降低计算机的内存消耗和求解时间，但其针对飞行器涂覆超薄吸波材料目标结构，适用范围有限。有研究通过阻抗边界条件将介质薄层涂覆导体目标等效为无厚度阻抗面，提出了介质涂覆三维导电目标电磁散射的矩量法(D.F.Yu,S.Y.He,X.Chen,G.Q.ZhuandH.C.Yin,“Simulationofelectromagneticscatteringfor3-DimpedancesurfaceusingMoM-POmethod,”IEEETran.AntennasPropag.,2012,Vol.60,No.8,3988-3991)，但随着目标电尺寸的增大，极大的计算时间和内存需求往往超出计算机的承受能力。在高频近似方法方面，有研究通过修正表面反射系数实现介质涂覆金属目标的散射计算(Z.L.LiuandC.F.Wang,“ShootingandbouncingrayandphysicalopticsforpredictingtheEMscatteringofcoatedPECobjects,”2012IEEEAsia-Pacificconferenceonantennasandpropagation,August27-29,2012,Singapore)，但其只适用于涂层较薄的情况，随着介质涂层厚度的增加，计算精度会下降。
技术实现思路
本专利技术提供一种基于射线追踪的金属介质组合目标电磁散射计算方法，基于电磁波的传播机理，通过射线追踪实现波在介质中的传播与透射精确仿真，提升了不能忽略厚度时介质散射问题的计算精度，兼顾计算精度与效率，能够满足实际工程中电大尺寸金属介质组合目标电磁散射计算的需求。为了达到上述目的，本专利技术提供一种基于射线追踪的金属介质组合目标电磁散射计算方法，进行射线追踪，记录射线与目标的相交情况，判断射线与目标交点处的目标材质，如果材质为金属，直接进行电磁计算获得射线管的散射场，如果材质为介质，先计算透射波的传播矢量，再计算透射波的反射系数和透射系数，最后追踪透射射线，当射线离开目标再次进入自由空间时，计算其散射场。所述的进行射线追踪并记录射线与目标的相交情况的步骤包含：定义垂直入射波方向的虚拟孔径面模拟入射平面波，该虚拟孔径面要能够覆盖目标在该平面上的投影区域；以十分之一波长为边长的正方形，将虚拟孔径面划分为许多射线管，并沿入射波方向从所得射线管向目标发射射线；追踪每一根射线，记录其与目标的相交情况。针对金属材质进行电磁计算获得射线管的散射场的步骤包含：使用几何光学计算反射场；进行物理光学积分计算该射线管的散射场。所述的计算透射波的传播矢量的步骤包含：步骤S1、定义计算中使用的变量；非均匀平面波在两种有耗介质边界面发生反射和透射，边界面为平面，为该边界面的法向，由介质2指向介质1；定义有耗介质i(i＝1,2)的相对介电常数和磁导率分别为：εri＝ε′ri-jε″riμri＝μ′ri-jμ″ri(1)在介质i中，定义为波的等幅面传播矢量，为波的等相位面传播矢量，ξi为与的夹角，ρi为与的夹角，定义ζi＝ξi+ρi；波在介质i中的传播矢量为：γ→i=α→i+jβ→i---(2)]]>步骤S2、计算介质1和介质2的固有衰减常数α01、α02和固有相位常数β01、β02介质i中γ0i=αoi+jβ0i=jk0ϵriμri---(3)]]>其中，k0为自由空间波数，j表示复数的虚部；根据式(3)，由介质1和介质2的相对介电常数和磁导率，可分别得到α01、β01、α02、β02；步骤S3、计算波在介质1中的衰减常数α1和相位常数β1；根据等式为电磁波在介质1中的传播矢量，γ01为介质1的固有传播常数，介质1存在如下等式：α12-β12=α012-β012]]>α1β1cosρ1＝α01β01(4)介质2也存在相同的等式：α22-β22=α022-β022]]>α2β2cosρ2＝α02β02(5)由式(4)，可得α1、β1为α1=β012-α01221+(2α01β01(β012-α012)cosρ1)2-1]]>β1=β012-α01221+(2α01β01(β012-α012)cosρ1)2+1---(6)]]>步骤S4、计算波在介质2中的衰减常数α2和相位常数β2；根据Snell定律，可得到如下等式：α1sinζ1＝α2sinζ2β1sinξ1＝β2sinξ2(7)定义γ1t＝α1sinζ1+jβ1sinξ1(8)由式(5)和式(7)，可得α2、β2为：α2=12(|γ1t|2+Re(γ022)+|γ1t2-γ022|)]]>β2=12(|γ1t|2-Re(γ022)+|γ1t2-γ022|)---(9)]]>步骤S5、计算透射后介质2中波传播矢量的角度ξ2和ζ2；定义角当时，ξ2取值为π/2；由于ξ2具有单调性，当时，0≤ξ2≤π/2；当时，π/2≤ξ2≤π；定义角当时，ζ2取值为π/2；由于ζ2具有单调性，当时，0≤ζ2≤π/2；当时，π/2≤ζ2≤π；定义χ=Im(γ022)Im(γ012)---(10)]]>可得下式tanξ1=tanρ1±tan2ρ1-4χ(χ-1)2(χ-1)---(11)]]>根据χ定义，χ≥0，则χ取值范围分为三种情况，即0≤χ<1、χ＝1、χ＞1；根据下式，可判断式(11)计算结果为或ξ1=ξ1ξ,Re(γ1t2)≤Re(γ022)ξ1&zeta本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于射线追踪的金属介质组合目标电磁散射计算方法，其特征在于，进行射线追踪，记录射线与目标的相交情况，判断射线与目标交点处的目标材质，如果材质为金属，直接进行电磁计算获得射线管的散射场，如果材质为介质，先计算透射波的传播矢量，再计算透射波的反射系数和透射系数，最后追踪透射射线，当射线离开目标再次进入自由空间时，计算其散射场。

【技术特征摘要】
1.一种基于射线追踪的金属介质组合目标电磁散射计算方法，其特征在于，进行射线追踪，记录射线与目标的相交情况，判断射线与目标交点处的目标材质，如果材质为金属，直接进行电磁计算获得射线管的散射场，如果材质为介质，先计算透射波的传播矢量，再计算透射波的反射系数和透射系数，最后追踪透射射线，当射线离开目标再次进入自由空间时，计算其散射场。2.如权利要求1所述的基于射线追踪的金属介质组合目标电磁散射计算方法，其特征在于，所述的进行射线追踪并记录射线与目标的相交情况的步骤包含：定义垂直入射波方向的虚拟孔径面模拟入射平面波，该虚拟孔径面要能够覆盖目标在该平面上的投影区域；以十分之一波长为边长的正方形，将虚拟孔径面划分为许多射线管，并沿入射波方向从所得射线管向目标发射射线；追踪每一根射线，记录其与目标的相交情况。3.如权利要求2所述的基于射线追踪的金属介质组合目标电磁散射计算方法，其特征在于，针对金属材质进行电磁计算获得射线管的散射场的步骤包含：使用几何光学计算反射场；进行物理光学积分计算该射线管的散射场。4.如权利要求3所述的基于射线追踪的金属介质组合目标电磁散射计算方法，其特征在于，所述的计算透射波的传播矢量的步骤包含：步骤S1、定义计算中使用的变量；非均匀平面波在两种有耗介质边界面发生反射和透射，边界面为平面，为该边界面的法向，由介质2指向介质1；定义有耗介质i(i＝1,2)的相对介电常数和磁导率分别为：εri＝ε′ri-jε″riμri＝μ′ri-jμ″ri(1)在介质i中，定义为波的等幅面传播矢量，为波的等相位面传播矢量，ξi为与的夹角，ρi为与的夹角，定义ζi＝ξi+ρi；波在介质i中的传播矢量为：γ→i=α→i+jβ→i---(2)]]>步骤S2、计算介质1和介质2的固有衰减常数α01、α02和固有相位常数β01、β02；介质i中γ0i=αoi+jβ0i=jk0ϵriμri---(3)]]>其中，k0为自由空间波数，j表示复数的虚部；根据式(3)，由介质1和介质2的相对介电常数和磁导率，可分别得到α01、β01、α02、β02；步骤S3、计算波在介质1中的衰减常数α1和相位常数β1；根据等式为电磁波在介质1中的传播矢量，γ01为介质1的固有传播常数，介质1存在如下等式：α12-β12=α012-β012α1β1cosρ1=α01-β01---(4)]]>介质2也存在相同的等式：α22-β22=α022-β022α2β2cosρ2=α02-β02---(5)]]>由式(4)，可得α1、β1为α1=β012-α01221+(2α01β01(β012-α012)cosρ1)2-1β1=β012-α01221+(2α01β01(β012-α012)cosρ1)2+1---(6)]]>步骤S4、计算波在介质2中的衰减常数α2和相位常数β2；根据Snell定律，可得到如下等式：α1sinζ1=α2sinζ2β1sinζ1=β2sinζ2---(7)]]>定义γ1t＝α1sinζ1+jβ1sinξ1(8)由式(5)和式(7)，可得α2、β2为：α2=12(|γ1t|2+Re(γ022)+|γ1t2-γ022|)β2=12(|γ1t|2-Re(γ022)+|γ1t2-γ022|)---(9)]]>步骤S5、计算透射后介质2中波传播矢量的角度ξ2和ζ2；定义角当时，ξ2取值为π/2；由于ξ2具有单调性，当时，0≤ξ2≤π/2；当时，π/2≤ξ2≤π；定义角当时，ζ2取值为π/2；由于ζ2...

【专利技术属性】
技术研发人员：高鹏程，林云，张慧媛，蔡昆，
申请(专利权)人：上海无线电设备研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31