[发明专利]一种基于斜率分布的船海互耦散射预测方法

摘要

本发明公开了一种基于斜率分布的船海互耦散射预测方法，该方法包括以下步骤1)对船舶本体多尺度结构电磁散射建模；2)船舶本体电磁散射协同求解；3)海面环境随机粗糙特性建模；4)海面面元斜率特征建模；5)舰海多路径互耦建模；6)船海互耦电磁散射预测计算。本发明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。

主权项

一种基于斜率分布的船海互耦散射预测方法，其特征在于，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船舶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：En+1=(ϵ‾‾Δt+σ‾‾e2)-1(ϵ‾‾Δt-σ‾‾e2)·En+(ϵ‾‾Δt+σ‾‾e2)-1·(▿×H)n+12]]>Hn+12=-(μ‾‾Δt+σ‾‾m2)-1(μ‾‾Δt-σ‾‾m2)·Hn-12+(μ‾‾Δt+σ‾‾m2)-1·(▿×E)n]]> 其中，▿×H=ϵ‾‾·∂E∂t+σ‾‾e·E]]>▿×E=-μ‾‾·∂H∂t-σ‾‾m·H]]> 其中，ε表示介电系数；μ表示磁导系数；σ表示电导率；σm表示导磁率； 则基于表面感应电流表征时域散射场为：Es(r,t)=Z04πrc∫∫sr^×[r^×∂∂t(2n^(r′)×Hinc(r′,t-τ1-τ2))]ds′]]>Hs(r,t)=-14πrc∫∫sr^×∂∂t(2n^(r′)×Hinc(r′,t-τ1-τ2))ds′]]>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′‑rref)/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E(r,n+(τ1+τ2)/Δt)=A∫∫s′r^×{r^×[r^×x^[F·1(n-1)+F·2(n)+F·3(n+1)]x]}ds′+A∫∫s′r^×{r^×[r^×y^[F·1(n-1)+F·2(n)+F·3(n+1)]y]}ds′+A∫∫s′r^×{r^×[r^×z^[F·1(n-1)+F·2(n)+F·3(n+1)]z]}ds′]]>其中，A＝Z0/(2πrc)，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f(x,y,t)=σCΣm=0Nf-1a-(s-ϵ)msin{K0am[(x+Vxt)cos(θp+βm(t))+(y+Vyt)sin(θp+βm(t))]-Ωmt+φm}+σCΣn=0Nf-1b(s-3)nsin{K0bn[(x+Vxt)cos(θp+βn(t))+(y+Vyt)sin(θp+βn(t))]-Ωnt+φn}]]>其中，归一化因子C表示为C={2[1-a-2(s-ϵ)][1-b2(s-3)][1-a-2(s-ϵ)Nf][1-b2(s-3)]+[1-a-2(s-ϵ)][1-b2(s-3)N]}1/2]]>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；其它各项参数为定量参数；4)海面面元斜率特征建模采用双尺度面元方法，直接从适应大尺度波浪的物理光学场积分表达式出发，在处理积分核内的相位项时，引入了具有特定分布的微小面元斜率特征模型取代几何模型，对大尺度表面进行小尺度波影响加权；加权后的物理光学模型为：σPQfacet(k^i,k^s)=πk4|ϵ-1|2|F~PQ|2Scapi(ql)]]>其中，Scapi(ql)为毛细波成分，Scapi(ql)=12[SEcapi(-ql)+SEcapi(ql)]]]>总散射系数为：5)舰海多路径互耦建模，将目标与粗糙面的耦合散射作用等效为镜像方向上场的相互作用，从而将目标与粗糙面的电磁耦合作用等效为目标与平面共同作用的结果；6)船海互耦电磁散射预测计算，建立基于基尔霍夫面积分的开展船海间互耦散射计算，通过对区域边界面散射场的等效源离散，实现船舶目标区与海面区间散射场相互关联。采用基尔霍夫面积分方法实现距离外推，电磁场近场到近场转换技术基于场等效原理，即一个辐射体产生的电磁场可以由一个完全包含该辐射体的闭合面上电、磁流的辐射场替代，时域物理光学区的二次照射场为：其中，R＝r‑r′，是积分表面外法向单位矢量，t‑R/c为次级入射波的时间延迟，S为包围辐射源的外推闭合面，应用到时域有限差分方法中，选取一个立方体表面作为外推数据存储面S，是电磁场任一分量。