吳盛源, 張小寬, 袁俊超, 林存坤

(1 空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院, 西安 710051; 2 95972部隊, 甘肅酒泉 735000)

基于FEKO的非合作目標(biāo)動態(tài)極化散射特性實時仿真*

吳盛源1, 張小寬1, 袁俊超1, 林存坤2

(1 空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院, 西安 710051; 2 95972部隊, 甘肅酒泉 735000)

針對非合作目標(biāo)動態(tài)測量難以開展的問題,研究了基于FEKO的雷達(dá)目標(biāo)動態(tài)極化散射特性實時仿真方法。首先給出了隨時間變化的方位角和俯仰角的求解公式,然后介紹了利用FEKO實時仿真計算目標(biāo)動態(tài)極化散射矩陣的方法及其步驟。仿真結(jié)果表明,機(jī)動目標(biāo)的動態(tài)極化散射特性敏感于雷達(dá)視線角,雷達(dá)視線角變化越劇烈,插值法獲得的極化數(shù)據(jù)越偏離實時仿真數(shù)據(jù)。驗證了該實時仿真方法的有效性和準(zhǔn)確性。

動態(tài);實時;極化散射特性;FEKO;雷達(dá)視線角

0 引言

雷達(dá)目標(biāo)的極化散射矩陣表征了全部的目標(biāo)散射特性信息,是極化信息處理的基礎(chǔ)[1-2]。準(zhǔn)確獲取目標(biāo)的極化散射矩陣是研究極化檢測、極化抗干擾、極化目標(biāo)識別的前提[3-8]。對于運(yùn)動目標(biāo),不能用單一的極化散射矩陣表示,需要根據(jù)觀測視線的變化用時變的極化散射矩陣序列表示[9-10]。

獲取非合作目標(biāo)動態(tài)極化散射特性的主要方法是:首先通過微波暗室獲得間隔1°的全空域數(shù)據(jù),再根據(jù)目標(biāo)機(jī)動航跡獲得隨時間變化的雷達(dá)視線角,最后利用插值的方法獲得動態(tài)極化散射矩陣。暗室縮比模型測量方法成本高,耗費(fèi)時間長,采用插值的方法將產(chǎn)生誤差,無法獲得連續(xù)的動態(tài)極化散射特性。基于軟件的仿真方法由于其可重復(fù)性好、成本低等優(yōu)點,越來越受到重視。因此,文中基于商業(yè)電磁仿真軟件FEKO,研究了雷達(dá)目標(biāo)動態(tài)極化散射特性的軟件仿真方法。

1 雷達(dá)視線角

目標(biāo)運(yùn)動過程中,在雷達(dá)坐標(biāo)系中坐標(biāo)的變化將引起目標(biāo)坐標(biāo)系中雷達(dá)視線角的變化,而目標(biāo)的極化散射特性取決于雷達(dá)視線角。因此,必須根據(jù)目標(biāo)飛行航跡和目標(biāo)姿態(tài)的變化,進(jìn)行坐標(biāo)變換,求出目標(biāo)坐標(biāo)系中隨時間變化的方位角和俯仰角,雷達(dá)坐標(biāo)系和目標(biāo)坐標(biāo)系的定義以及具體的轉(zhuǎn)換過程可參考文獻(xiàn)[11-13]。

(1)

(2)

2 仿真方法

2.1 幾何建模

FEKO本身可以利用CADFEKO等自身軟件模塊來建立幾何模型;對于復(fù)雜目標(biāo)建模,FEKO還可以通過與多個專業(yè)三維設(shè)計軟件(如catia,ansys等)接口,導(dǎo)入它們建立的三維模型,也可以直接導(dǎo)入劃分好網(wǎng)格的文件。

2.2 網(wǎng)格剖分

一般來說,網(wǎng)格單元邊長取1/8～1/10波長,而對于采用PO算法則可以適當(dāng)取大一些邊長值。對于已經(jīng)劃分網(wǎng)格的模型,可以在FEKO中重新定義網(wǎng)格,來滿足計算要求。網(wǎng)格劃分的大小決定了計算能否成功以及計算時間的長短,所以應(yīng)盡量以節(jié)省時間而又能成功計算為準(zhǔn)則。

2.3 算法選擇

FEKO[14-15]是一個以矩量法(MoM)為基礎(chǔ)的商業(yè)電磁仿真軟件,并且集成了多層快速多級子算法(MLFMM)、幾何繞射理論(GTD)、一致性繞射理論(UTD)和物理光學(xué)法(PO)等多種算法。提取目標(biāo)極化散射矩陣需要獲取準(zhǔn)確的幅度和相位信息,數(shù)值方法能求解非常復(fù)雜的散射體,同時具有很高的求解精度,因此應(yīng)當(dāng)采用精確數(shù)值計算方法。

隨著對矩陣方程快速求解問題的研究,研究者開發(fā)出了基于MoM的快速多級子算法(MLFMM),矩量法需要計算各個基函數(shù)間的相互作用,而MLFMM首先將基函數(shù)歸類分組,然后計算不同基函數(shù)組間的相互作用,如圖1所示。

MoM將N個基函數(shù)看成是相互孤立的,造成了N2規(guī)模的內(nèi)存需求和N3規(guī)模的CPU消耗時間。而針對同一個求解問題,MLFMM算法只需要N·log(N)規(guī)模的內(nèi)存需求和N·[log(N)]2規(guī)模的CPU消耗時間。

2.4 動態(tài)參數(shù)設(shè)置

提取目標(biāo)的靜態(tài)極化散射矩陣,在CADFEKO中完成目標(biāo)幾何建模、頻率設(shè)置、網(wǎng)格剖分、姿態(tài)角設(shè)置、單雙站設(shè)置和算法選擇后,首先設(shè)置水平極化發(fā)射,仿真生成的.out文件中EPHI即為散射矩陣中的Shh元素,ETHETA即為散射矩陣中的Svh元素。然后設(shè)置垂直極化發(fā)射,仿真生成的.out文件中EPHI即為散射矩陣中的元素Shv,ETHETA即為散射矩陣中的元素Svv。

提取運(yùn)動目標(biāo)的動態(tài)極化散射矩陣,首先在MATLAB中根據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式,以一個脈沖重復(fù)周期為間隔進(jìn)行采點,獲取隨目標(biāo)實時變化的雷達(dá)視線角,并保存在一個.dat文件中,.dat文件中有兩列數(shù),第一列表示方位角,第二列表示俯仰角。EDITFEKO中的for卡和next卡提供了強(qiáng)大的循環(huán)調(diào)用功能,可以實時調(diào)用隨時間變化的雷達(dá)視線角進(jìn)行計算,求得目標(biāo)動態(tài)極化散射矩陣。在CADFEKO中完成目標(biāo)幾何建模、頻率設(shè)置、網(wǎng)格剖分和算法選擇的基礎(chǔ)上,然后在EDITFEKO中設(shè)置參數(shù)的具體實現(xiàn)步驟如下:

1)在“** Sources”下面,添加for卡,for卡中設(shè)置循環(huán)變量名為“i”,以及循環(huán)的起始值、終止值和循環(huán)步長。

2)添加#卡,定義方位角變量為“phi”,讀取.dat文件,設(shè)置第i行、第一列的數(shù)為方位角;定義俯仰角變量為“theta”,讀取.dat文件,設(shè)置第i行、第二列數(shù)為俯仰角。

3)將原有的A0卡刪除,添加新的A0卡,在Number ofθangles后輸入:1,在Number ofφangles后輸入:1,在Initialθvalue后輸入:#theta,在Initialφvalue后輸入:#phi,設(shè)置幅度為1,相位為0,設(shè)置所需的極化方式。

4)添加FF卡,即設(shè)置遠(yuǎn)場求解,并根據(jù)需要設(shè)置單雙站仿真。雙站角的設(shè)置方法與入射角的設(shè)置方法類似。

5)點擊RUN FEKO,運(yùn)行FEKO進(jìn)行仿真計算。

對于同時全極化測量體制雷達(dá),首先設(shè)置水平極化發(fā)射,獲得動態(tài)極化散射矩陣第一列元素,然后設(shè)置垂直極化發(fā)射,獲得動態(tài)極化散射矩陣第二列元素。

3 動態(tài)極化特性仿真分析

目標(biāo)朝向雷達(dá)站飛行并做偏航機(jī)動,其機(jī)動航跡為拋物線,且機(jī)頭方向為拋物線的切線方向,起點坐標(biāo)為(80 km,0 km,5 km),終點坐標(biāo)為(5 km,6 km,5 km)。圖2～圖4給出了其機(jī)動曲線、雷達(dá)視線角變化,目標(biāo)動態(tài)多極化RCS如圖5所示,圖6對比了文中提出的實時仿真方法與插值法獲得的極化比。

由圖5可知,利用文中提出的仿真方法,能仿真獲得任意時刻的目標(biāo)極化散射特性。說明對于高速機(jī)動目標(biāo),不能用單一的極化散射矩陣描述極化特性,必須研究其實時動態(tài)極化散射特性;由圖6可知,插值法獲得的極化比在實時仿真獲得的極化比上下波動,在前140 s,雷達(dá)視線角變化緩慢,極化比變化緩慢,兩種方法的差值較小,最大差值為4。在140 s之后,雷達(dá)視線角變化劇烈,極化比劇烈變化,兩種方法的差值較大,最大差值達(dá)到25。說明當(dāng)飛機(jī)做超機(jī)動時,采用插值法研究其動態(tài)極化散射特性將帶來較大的誤差,采用文中提出的實時仿真方法,能夠保證獲得的極化散射特性的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

文中研究了基于FEKO軟件的目標(biāo)動態(tài)極化散射特性提取方法,并利用該方法仿真獲得偏航機(jī)動下的目標(biāo)實時動態(tài)極化散射特性。仿真結(jié)果表明,文中提出的軟件實時仿真方法可以提取準(zhǔn)確的目標(biāo)動態(tài)極化散射矩陣,是研究非合作目標(biāo)動態(tài)極化散射特性的有效方法。

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Real-timeSimulationoftheDynamicPolarizationScatteringCharacteristicsofNoncooperativeTargetBasedonFEKO

WU Shengyuan1, ZHANG Xiaokuan1, YUAN Junchao1, LIN Cunkun2

(1 Air and Missile Defense College, Air Force Engineering University, Xi’an 710051, China; 2 No.95972 Unit, Gansu Jiuquan 735000, China)

The real time simulation method of dynamic polarization scattering characteristics of radar target based on FEKO was studied to solve the problem that the dynamic measurement of noncooperative targets was difficult to carry out. Firstly, the the formula of azimuth and elevation angle that varied with time variation were given. Secondly, the method and the procedure of the real time simulation and calculation of dynamic polarization scattering matrix of the targets using FEKO were introduced. The simulation results showed that the dynamic polarization scattering characteristics of maneuvering targets were more sensitive than radar aspect angle, and the more severe the change of radar aspect angle, the bigger the deviation of the polarization data obtained by interpolation from the real time simulation data was. The validity and accuracy of the real time simulation method were verified.

dynamic; real time; polarization scattering characteristics; FEKO; radar aspect angle

TN974

A

2016-08-29

重點實驗室基金(STES201401-2)資助

吳盛源(1991-),男,福建漳州人,碩士研究生,研究方向:雷達(dá)目標(biāo)特性及其應(yīng)用。