[发明专利]一种基于斜率分布的船海互耦散射预测方法

说明书

技术领域

本发明涉及电磁特性预测技术，尤其涉及一种基于斜率分布的船海互耦散射预测方法。

背景技术

船舶作为海上运行的作战平台，与海面是直接接触的，由于船体与周围附近海面互耦散射，与舰艇本体散射相互混叠，舰艇实际的电磁散射因素从客观上已从目标本体散射扩展至船体与海面的复合散射。从散射特征上，不仅取决于船舶本体多尺度结构的电磁散射，同时也受到海面与船舶互耦散射的影响，使散射源分布和强度发生了较大变化。因此，在船舶设计阶段，需要在研究船舶本体散射特性的基础上，通过开展船海互耦散射预测，量化并控制海面对全船电磁散射特性的影响。

雷达电磁信号作用于目标并发生电磁散射的过程实质上是雷达电磁信号与目标相互作用的过程，电磁散射预测的可信度取决于对目标及场景电磁仿真建模和求解的准确性。船海互耦散射预测的主要特点是多尺度船舶结构与大面积海面粗糙面相互作用的电磁求解，为保证预测精度，目前，国内主要采用的方法包括全波仿真方法和光学近似方法：

(1)全波仿真方法具有几何、电磁参数表征完整的优点，该方法主要适用于小型目标与海面的互耦散射预测。

(2)光学近似方法具有计算速度快、网格数量低的特点，通过散射体表面的感应电流取代散射体本身作为散射场源，基于几何光学的射线追踪理论完成结构间相互作用求解，适合大尺度目标电磁散射特性的仿真预测，但其存在的问题在于：由于算法本身的近似特性，其仿真前提为较为规则的理想导体目标和面元，无法开展各种海情海面的复杂粗糙表面准确性建模，制约了电磁散射回波特征预测的精度，因此，该方法主要适用于平静或规则简化海面与目标的互耦散射预测。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种基于斜率分布的船海互耦散射预测方法，通过海面斜率分布加权，将目标与粗糙面的互耦散射等效为船舶目标与规则平面相互作用的结果，解决对随机粗糙海面进行直接拟合和简化导致的算法适应性和准确性问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于斜率分布的船海互耦散射预测方法，包括以下步骤：

1)对船舶本体多尺度结构电磁散射建模，

利用下述模型将任意复杂结构沿三个坐标轴离散成网格单元，用Δx、Δy、Δz分别表示在x、y和z坐标方向的网格空间步长，用Δt表示时间步长：

其中，

其中，ε表示介电系数；μ表示磁导系数；σ表示电导率；σ_m表示导磁率；

基于表面感应电流表征时域散射场为：

其中，S′是目标表面S内被直接照射到的部分，为目标点到接收点的时间延迟，τ₂＝k·(r′-r_ref)/c为二次散射点到接收点的时间延迟，

2)船舶本体电磁散射协同求解，

采用顺序传递方法。在FDTD计算的每个时间步，将FDTD外推面元胞上的场值外推到TDPO区目标表面的面元上，并立即用TDPO方法计算它们对远区观察点场的贡献。所得结果根据元胞到面元及面元到观察点的时间延迟进行存储累加，得到观察点的时域散射波形；

执行时直接代入到TDPO远区散射场计算式中，有

其中，A＝Z₀/(2πrc)，磁场的另外两个分量也如此，τ₂为目标电大尺寸表面面元到观察点的时间延迟，式中实现只对不同时刻离散时间序列F参量的面积分，与入射场无关。

3)海面环境随机粗糙特性建模,

将粗糙海面等效为无限多个振幅不同、频率不同、方向不同、相位杂乱的浪波组成的随机功率谱，表征海浪能量相对于组成波各空间频率或各空间波数的分布；

采用分形尺度因子对粗糙海面进行数学建模描述，表示为

其中，归一化因子C表示为

其中，a是空间波数小于基频时的尺度因子(a＜1)，ε为正幂率因子。其它各项参数的定量描述如下：σ＝0.0087U²(U为海面19.5米高处的风速)，K₀＝7.545/U²，ε＝3.9，b＝1.015，a＝1/b，S＝2.62，N_f＝500。

4)海面面元斜率特征建模