天线波束照射下近场动态海面电磁波强度分布可视化方法技术

本发明专利技术属于电磁仿真技术领域，公开了一种天线波束照射下近场动态海面电磁波强度分布可视化方法。选取合适的海谱生成动态海面模型，输入海面初始参数，包括采样点数、尺寸；设置风速、风向、风区、时间导入海谱模型，设置伪随机过程白噪声参量。输入天线入射角及天线与海面的距离；导入天线方向图，将天线方向图文件导入到程序获取天线方向图中不同方向及位置的电磁场强度值；建立模型后，对天线波束照射下的海面电磁波强度进行运算求解，得出天线照射下的电磁波在动态海面分布情况。本发明专利技术可以实现近场天线波束照射下动态海面的电磁波强度分布的可视化结果，为动态雷达照射下的海面研究奠定一定的基础。面研究奠定一定的基础。面研究奠定一定的基础。

【技术实现步骤摘要】
天线波束照射下近场动态海面电磁波强度分布可视化方法


[0001]本专利技术属于电磁仿真
，尤其涉及一种天线波束照射下近场动态海面电磁波强度分布的可视化方法。

技术介绍

[0002]近年来，由于通信技术和雷达技术的快速发展，天线孔径越来越大以及周围的电磁环境复杂度的提高，加之人们对精确度和效率等方面要求的提高。远场测量系统逐渐被近场测量所取代。国内许多单位已经把传统的远场测量升级为近场测量系统，远场测量主要被用作验证使用。雷达技术不断进步，其发射频率也在不断提高，特别是对于末端制导雷达来说，工作频率通常都在较高的微波段和毫米波段，据悉国外最新研发的远程反舰导弹的工作波段可能已达到毫米级。根据近远场的划分标准，接收天线通常都会处于目标的散射近场区域。
[0003]近场电磁散射的计算方法在早期主要是在远场的计算方法上加以修正使其适用于近场散射条件。最早美国学者采用多点目标模型给出引信近场目标散射特性。S.W.Lee团队和 DEMACO公司联合开发了NcPTD，NcPTD是通过在天线与目标距离不是足够远的情况，对入射波进行球面波近似，然后改进物理绕射理论使其能够计算近场电磁散射。C.LongYu等人研究了导弹导引头波束照射下目标散射特性。此外，诸多文献中讲述的发射天线方向图很多是来自于理论的解析表达，这与实际应用中的天线照射有着很大的区别。其次，许多文献只是计算了电磁测量散射结果，并没有做到实时可视化预估。不能直观的观察到天线波束照射到目标后电磁波的强度分布。
[0004]综上所述，近场电磁波照射海面的可视化研究较少，算出的绝大部分只是电磁散射数值结果。早期的天线方向图来源于解析表达式，与实际情况相差较大，需考虑更为精准的天线照射方向以及位置。针对导弹上引信和导引头对于目标探测与识别的需要。
[0005]通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：近场电磁波照射海面的可视化研究较少，算出的绝大部分只是电磁散射数值结果。早期的天线方向图来源于解析表达式，与实际情况相差较大，需考虑更为精准的天线照射方向以及位置。
[0006]解决以上问题及缺陷的难度为：选用PM海谱生成动态海面，并用实际喇叭天线的方向图建立波束照射海面目标模型图，分析了天线和目标之间距离以及天线方向图对目标近场照射特性，此外也分析了天线波束照射下目标和海面的电磁波束的分布情况。
[0007]解决以上问题及缺陷的意义为：在近场条件下使得天线波束照射动态海面的电磁波强度分布可视化，同时为近场动态雷达照射海面的电磁散射研究提供一定的基础。

技术实现思路

[0008]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种天线波束照射下近场动态海面电磁波强度分布可视化方法。
[0009]本专利技术是这样实现的，一种天线波束照射下海面近场电磁波强度分布可视化方
法，所述天线波束照射下海面近场电磁波强度分布可视化方法包括：
[0010]海面模型的生成，输入海面初始参数，包括采样点数，海面模型的尺寸；
[0011]设置风速、风向、风区、时间，导入海谱模型，设置伪随机过程白噪声参量，通过改变参量可以设置不同的海情；
[0012]输入天线入射角及天线与海面的距离；
[0013]导入天线方向图，将天线方向图文件导入到程序后，获取天线方向图中不同方向及位置的电磁场强度值；
[0014]建立模型后，对天线波束照射下的海面电磁波强度进行运算求解，得出天线照射下的电磁波在动态海面分布强度分布的可视化结果。
[0015]进一步，所述天线波束照射下近场动态海面电磁波强度分布可视化方法海谱使用PM谱；波数谱模型：
[0016][0017]其中α和β是不变量其值分别为α＝8.1
×
10
‑3，β＝0.74，其中U
19.5
表示海面上方19.5m处的风速；
[0018]PM谱中随方向变化的分布函数为：
[0019][0020]从解析表达式中可知，PM波数谱对方向的拓展特性与波数K无关；
[0021]将一维波数谱和方向分布函数相乘，得到二维PM谱：
[0022][0023]线性过滤海面建模法的是将不同功率密度的海波通过傅里叶逆变换实现时频转换，对于 PM谱来说，导数为：
[0024][0025]令导数等于零，得谱峰位置为：
[0026][0027]将K
p
代入PM海谱函数，得谱峰值为：
[0028][0029]海面的均方根高度表示为：
[0030][0031]海浪主波长指的是能量最高的海谱谱峰所对应的海浪波长，其和谱峰值唯一相关，表示为：
[0032][0033]对于离散化的序列，常用自相关系数ρ(R)表示序列中距离为R处的两点之间的联系程度，应用于海面模型分析时，还常用相关长度l
c
分析，其定义为海面模型中两点的自相关系数ρ(R)下降为最高值ρ(0)的1/e时的距离R；如果海面模型上两点的距离超过l
c
时，近似的认为海面模型上的这两点从统计学的角度上判断是相互独立的；在极限情况下，即当海面是完全光滑时，面上每两点之间都是完全相关的，即ρ(R)＝1，而l
c
＝∞，对于PM谱相关长度表示为：
[0034][0035]主波浪K
p
对海面的调制更明显，当K≤K
p
时，海面主要受到长重力波的作用，而当 K＞K
p
时，短重力波和张力波对海面轮廓的构造作用更明显。
[0036]进一步，所述天线波束照射下近场动态海面电磁波强度分布可视化方法采用线性叠加法生成海面，其海面上任意一点的波动多个看做无限振幅、频率和初相均不相同，不同角度方向传播简单余弦波的叠加，二维海面表示为：
[0037][0038]式中，a
ij
、ω
i
、k
i
、Φ
j
、分别为第i个余弦波的振幅、角速度、波数、方向角和初始相位，波数k
i
，与频率ω
i
之间满足ω2＝gk的色散关系，为[0,2π]之间均匀分布的随机变量；(x,y)为波点位置；t为时间矢量；
[0039]振幅a
ij
，满足瑞利分布，且有通常由下式确定：
[0040][0041]式中：W(k,Φ)为二维海面的方向频率谱。
[0042]进一步，采用的海谱大尺度波与小尺度波波数分界线为k
i
，小尺度波数最大值为k2，把波数范围划分为M个等波数间隔的区间，则大尺度波数间间隔为：
[0043][0044]k
j
＝k
i
+(j
‑
1)Δk(j＝1,2,
···
M)；
[0045]小尺度波数间间隔为：
[0046][0047]k
j
＝k
i
+(j
‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种天线波束照射下近场动态海面电磁波强度分布可视化方法，其特征在于，所述天线波束照射下近场动态海面电磁波强度分布可视化方法包括：海面模型的生成，输入海面初始参数，包括采样点数，海面模型的尺寸；设置风速、风向、风区、时间，导入海谱模型，设置伪随机过程白噪声参量；输入天线入射角及天线与海面的距离；导入天线方向图，将天线方向图文件导入到程序里获取天线方向图中不同方向及位置的电磁场强度值；建立模型后，对天线波束照射下的海面电磁波强度进行运算求解，得出天线照射下的电磁波在动态海面分布的可视化结果。2.如权利要求1所述的天线波束照射下近场动态海面电磁波强度分布可视化方法，其特征在于，所述天线波束照射下近场动态海面电磁波强度分布可视化方法海谱使用PM谱；波数谱模型：其中α和β是不变量其值分别为α＝8.1
×
10
‑3，β＝0.74，其中U
19.5
表示海面上方19.5m处的风速；PM谱中随方向变化的分布函数为：从解析表达式中可知，PM波数谱对方向的拓展特性与波数K无关；将一维波数谱和方向分布函数相乘，得到二维PM谱：线性过滤海面建模法的是将不同功率密度的海波通过傅里叶逆变换实现时频转换，对于PM谱来说，导数为：令导数等于零，得谱峰位置为：将K
p
代入PM海谱函数，得谱峰值为：海面的均方根高度表示为：
海浪主波长指的是能量最高的海谱谱峰所对应的海浪波长，其和谱峰值唯一相关，表示为：对于离散化的序列，常用自相关系数ρ(R)表示序列中距离为R处的两点之间的联系程度，应用于海面模型分析时，还常用相关长度l
c
分析，其定义为海面模型中两点的自相关系数ρ(R)下降为最高值ρ(0)的1/e时的距离R；如果海面模型上两点的距离超过l
c
时，近似的认为海面模型上的这两点从统计学的角度上判断是相互独立的；在极限情况下，即当海面是完全光滑时，面上每两点之间都是完全相关的，即ρ(R)＝1，而l
c
＝∞，对于PM谱相关长度表示为：主波浪K
p
对海面的调制更明显，当K≤K
p
时，海面主要受到长重力波的作用，而当K＞K
p
时，短重力波和张力波对海面轮廓的构造作用更明显。3.如权利要求1所述的天线波束照射下近场动态海面电磁波强度分布可视化方法，其特征在于，所述天线波束照射下近场动态海面电磁波强度分布可视化方法采用线性叠加法生成海面，其海面上任意一点的波动多个看做无限振幅、频率和初相均不相同，不同角度方向传播简单余弦波的叠加，二维海面表示为：式中，a
ij
、ω
i
、k
i
、Φ
j
、分别为第i个余弦波的振幅、角速度、波数、方向角和初始相位，波数k
i
，与频率ω
i
之间满足ω2＝gk的色散关系，为[0,2π]之间均匀分布的随机变量；(x,y)为波点位置；tt为时间矢量；振幅a
ij
，满足瑞利分布，且有通常由下式确定：式中：W(k,Φ)为二维海面的方向频率谱。4.如权利要求3所述的天线波束照射下近场动态海面电磁波强度分布可视化方法，其特征在于，采用的海谱大尺度波与小尺度波波数分界线为k
i
，小尺度波数最大值为k2，把波数范围划分为M个等波数间隔的区间，则大尺度波数间间隔为：k
j
＝k
i
+(j
‑
1)Δk (j＝1,2,
...

【专利技术属性】
技术研发人员：时卫莉，刘伟，左炎春，郭立新，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：