箔條云建模與極化特性仿真技術(shù)研究

李尚生,付哲泉,陳佳林

(1 海軍航空工程學(xué)院電子信息工程系,山東煙臺 264001;2 海軍裝備研究院,上海 200400)

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箔條云建模與極化特性仿真技術(shù)研究

李尚生1,付哲泉1,陳佳林2

(1 海軍航空工程學(xué)院電子信息工程系,山東煙臺 264001;2 海軍裝備研究院,上海 200400)

為分析箔條干擾極化特性以及提高制導(dǎo)雷達(dá)基于極化特性差別的抗箔條干擾能力,建立不同密度、形狀、分布的箔條云空間模型,將電磁場數(shù)值計(jì)算方法引入到箔條云極化散射特性的計(jì)算,計(jì)算結(jié)果表明箔條云雷達(dá)截面積大小與密度成正比,且滿足全極化大于同極化、同極化大于交叉極化的規(guī)律,同時(shí)計(jì)算得到了極化散射矩陣各元素?cái)?shù)值。研究結(jié)論對于建立真實(shí)的模擬戰(zhàn)場環(huán)境、開展雷達(dá)的抗極化干擾實(shí)驗(yàn)、改善雷達(dá)性能具有重要意義。

箔條云;同極化;交叉極化;極化矩陣

0 引言

近代戰(zhàn)爭中,箔條在掩護(hù)飛機(jī)編隊(duì)和保護(hù)水面艦艇方面取得了很好的效果,研究箔條干擾回波信號特征顯得格外重要。關(guān)于箔條干擾雷達(dá)回波特性的研究在時(shí)域[1-3]和頻域[4-6]方面起步早、成效顯著,相關(guān)研究結(jié)論已經(jīng)得到應(yīng)用,而回波極化特性研究起步較晚。一般而言,獲取箔條云雷達(dá)回波極化特性的途徑有兩個(gè):一是通過試驗(yàn)的方法;二是通過理論分析和仿真的方法。由于現(xiàn)有雷達(dá)極化體制的限制,以及外場測試箔條回波信號特征周期長、花費(fèi)高的原因,通過試驗(yàn)手段獲取箔條云團(tuán)雷達(dá)回波信號的極化特性很困難,箔條干擾極化域特性[7-13]的研究主要為對不同狀態(tài)箔條云散射矩陣統(tǒng)計(jì)特征的理論推導(dǎo)計(jì)算,不能真實(shí)體現(xiàn)箔條干擾的極化信息。針對以上問題,建立箔條云空間分布模型,將電磁場數(shù)值計(jì)算方法引入到箔條云極化散射特性的計(jì)算。

1 箔條云模型的建立

分析箔條云的極化特性,首先要建立合理的箔條云模型。箔條在空中散開時(shí),由于空氣流動、箔條間相互碰撞等因素,導(dǎo)致各箔條之間運(yùn)動狀態(tài)相差很大。理論和實(shí)際測量結(jié)果表明,箔條云團(tuán)在空中炸開后,其形狀逐漸由球體變?yōu)楸忾L橢球體,且箔條絲在空中服從均勻或正態(tài)分布。

1.1 單根箔條模型的建立

當(dāng)箔條被電磁波照射時(shí),其表面會產(chǎn)生感應(yīng)電流,感應(yīng)電流在箔條的周圍產(chǎn)生交變的電磁場,電磁場以波動的形式向外傳播,箔條因此往外散射能量,研究表明長度為雷達(dá)發(fā)射信號波長一半的諧振散射箔條具有最大的散射截面積,但是諧振散射箔條的頻帶很窄。為了使箔條覆蓋較寬的頻帶,具備同時(shí)干擾多頻段雷達(dá)的能力,一般將不同頻率對應(yīng)的半波長箔條混合包裝以滿足要求。綜合考慮箔條散射截面、頻帶寬度以及導(dǎo)電性能等因素,選擇長度為半波長,長寬比為30,厚度忽略不計(jì)的理想金屬導(dǎo)體作為箔條。

首先,由ANSYS軟件建立單根箔條的模型并進(jìn)行平面三角形剖分,以頻率10GHz對應(yīng)的半波長箔條為例,剖分結(jié)果如圖1所示。

圖1 頻率10 GHz對應(yīng)的半波長箔條剖分結(jié)果圖

圖1中箔條長度為1.5

cm

,寬度為0.05

cm

,同理可以得到不同頻率對應(yīng)的不同長度箔條剖分模型。

1.2 箔條云模型的建立

實(shí)際使用時(shí),箔條彈中箔條數(shù)量巨大,逐一對箔條建模的方法將花費(fèi)很長時(shí)間。為了高效的建立箔條云模型,采用先建立不同尺寸單根箔條模型,然后對單根箔條根據(jù)空間分布的要求進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、平移的方法提高效率。下面詳細(xì)敘述箔條云模型建立過程。

對單根箔條而言,箔條模型由長為半波長,長寬比為30的矩形近似,因而箔條的空間位置可以由矩形的4個(gè)頂點(diǎn)唯一確定。若箔條云中箔條個(gè)數(shù)為N,則只需確定對應(yīng)的4N個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo),就可以得到所需箔條云模型。若箔條模型的一個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)為r0=(x0,y0,z0),則第i根箔條對應(yīng)的頂點(diǎn)可以由r0依次繞x、y、z軸旋轉(zhuǎn)αi、βi、γi角度,然后坐標(biāo)平移(xi,yi,zi)得到。旋轉(zhuǎn)后的坐標(biāo)(xsi,ysi,zsi)可以表示為:

(1)

若箔條云在空間服從半徑為R的球體均勻分布,則平移坐標(biāo)(xi,yi,zi)可以表示為:

(2)

式中：r、θi、φi分別服從(0,R)、(0,π)、(0,2π)的均勻分布,因此對應(yīng)的變換后頂點(diǎn)坐標(biāo)為:

(x,y,z)=(xsi+xi,ysi+yi,zsi+zi)

(3)

同理可以得到第i根箔條的其他3個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo),確定第i根箔條的位置。

由于箔條云在空間分布時(shí)不會出現(xiàn)兩根箔條相交的情況,在建立箔條云模型的過程中需要判斷箔條之間是否相交,并舍去相交的箔條。箔條云模型生成之后,就可以導(dǎo)入到ANSYS軟件中進(jìn)行剖分處理。圖2和圖3分別給出了4 000根箔條在空間服從球體均勻分布和橢球正態(tài)分布的模型。其中,4 000根箔條由10GHz和15GHz對應(yīng)的半波長、全波長箔條各占四分之一組成。圖2中箔條云服從半徑為1m的球體均勻分布,圖3中箔條云服從半徑比為1∶1∶2的橢球正態(tài)分布。

圖2 球體均勻分布箔條云模型

圖3 橢球正態(tài)分布箔條云模型

2 箔條云回波信號計(jì)算與分析

FEKO軟件是基于矩量法,對目標(biāo)三維全波電磁仿真的軟件,同時(shí)集成多種算法,對計(jì)算電大尺寸模型的電磁特性有很大優(yōu)勢。對金屬導(dǎo)體(如箔條),FEKO可以計(jì)算導(dǎo)體表面的面電流分布,然后計(jì)算近場、遠(yuǎn)場、RCS等參數(shù)。將建立好的箔條云模型導(dǎo)入FEKO軟件,結(jié)合矩量法和快速多極子算法分析箔條云單站遠(yuǎn)場回波特性。設(shè)定入射電磁波為線極化平面波,頻率為10GHz,幅度為1V,初相為0°,極化方式為垂直極化,入射角θ=90°(平視)、φ=0°～180°,其中φ間隔角度為5°。分別對4 000根和12 000根在空間服從半徑為1m的球體均勻分布箔條云進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 箔條云(4 000根)單站遠(yuǎn)場計(jì)算結(jié)果

圖5 箔條云(12 000根)單站遠(yuǎn)場計(jì)算結(jié)果

圖中橫軸為電磁波入射角,單位為(°);縱軸為雷達(dá)截面積(RCS),單位為dBm2。紅色實(shí)線、藍(lán)色虛線、綠色點(diǎn)狀線分別表示全極化、同極化、交叉極化接收時(shí)的雷達(dá)截面積。對箔條云同一接收極化方式下,不同觀察角度得到的雷達(dá)散射截面求平均,不同接收極化方式計(jì)算結(jié)果見表1。

從圖表中可以看出不同極化接收時(shí),雷達(dá)截面積由大到小依次為全極化、同極化、交叉極化,不同極化方式之間相差2倍左右。對比不同密度箔條云可以看出,隨著箔條云密度的變大,雷達(dá)截面積也增大。同一極化方式下,兩種密度箔條云的雷達(dá)截面積相差3倍左右,說明在以上密度范圍內(nèi)箔條云雷達(dá)截面積與箔條云密度成正比。

表1 不同接收極化方式時(shí)箔條云計(jì)算結(jié)果

(4)

式中:上標(biāo)s表示散射電磁波;aHH表示水平極化入射產(chǎn)生水平極化散射場的散射系數(shù);aHV表示水平極化入射產(chǎn)生垂直極化散射場的散射系數(shù)。同理,垂直極化照射下目標(biāo)散射場也可以表示為兩部分。四種散射成分分別被水平和垂直極化天線接收,所以有:

(5)

式中:上標(biāo)r表示天線接收。散射矩陣S可以表示為:

(6)

為全面分析箔條云雷達(dá)回波信號極化域特性,得到箔條云的極化散射矩陣。對4 000根箔條構(gòu)成的箔條云模型,將入射波極化方向改為水平極化,計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 水平極化波入射時(shí)的箔條云單站遠(yuǎn)場計(jì)算結(jié)果

圖7 箔條云(4 000根)極化散射矩陣各元素變化圖

圖6中紅色實(shí)線、綠色點(diǎn)狀線、藍(lán)色虛線分別表示全極化、同極化、交叉極化接收時(shí)的雷達(dá)截面積?？梢钥闯鏊綐O化入射時(shí),全極化、同極化、交叉極化雷達(dá)截面積大小的相對關(guān)系與垂直極化入射時(shí)一致。垂直和水平極化入射時(shí)箔條云的同極化、交叉極化電場幅度值如圖7所示,計(jì)算結(jié)果平均值如表2所示,其中箔條云為4 000根服從半徑為0.2m的球均勻分布。

表2 極化矩陣各元素計(jì)算結(jié)果

由圖7可以看出,對同一個(gè)箔條云模型而言,不同觀察角度得到的交叉極化回波數(shù)據(jù)完全吻合,與表2計(jì)算的平均結(jié)果一致,二者相對誤差小于0.05%。同時(shí),由圖7和表2可以知道,不同觀察角度得到的同極化結(jié)果不盡相同,但是二者平均值相近,而且同極化回波雷達(dá)截面積均在交叉極化回波雷達(dá)截面積的4dB以上。

3 結(jié)論

文中將電磁場數(shù)值計(jì)算方法引入到箔條云極化散射特性的計(jì)算,建立不同密度、不同形狀、不同分布的箔條云空間模型,利用FEKO軟件對不同入射角度的箔條云單站遠(yuǎn)場回波進(jìn)行計(jì)算,分析得到箔條云極化散射特性,結(jié)果表明不同接收極化方式箔條云回波雷達(dá)截面積各不相同,但滿足全極化大于同極化、同極化大于交叉極化的規(guī)律,而且在文中箔條云模型密度范圍內(nèi),雷達(dá)截面積大小與箔條云密度成正比。對同一箔條云模型分別改變發(fā)射和接收極化方式來分析其極化散射矩陣規(guī)律,結(jié)果顯示同一箔條云模型交叉極化(垂直極化發(fā)射水平接收和水平極化發(fā)射垂直接收)的雷達(dá)截面積完全相同,同時(shí),同極化對應(yīng)雷達(dá)截面積相比于交叉極化要大4dB以上。以上結(jié)論可以促進(jìn)對回波極化域信息的利用,有助于在實(shí)驗(yàn)室條件下建立不同狀態(tài)的箔條云干擾環(huán)境,開展雷達(dá)的極化抗干擾試驗(yàn)。

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Chaff Cloud Modeling and Research on Technology of Polarization Characteristic Simulation

LIShangsheng1,FUZhequan1,CHENJialin2

(1DepartmentofElectronicsandInformationEngineering,NavalAeronauticalandAstronauticalUniversity,ShandongYantai264001,China; 2NavyAcademyofArmament,Shanghai200400,China)

Inordertoanalyzepolarizationcharacteristicsofchaffjammingandimprovecapabilityofanti-chaffjammingofguidanceradarbasedonpolarizationcharacteristicsdifference,chaffcloudmodelofdifferentdensity,shapeanddistributionwasestablished,andthen,electromagneticfieldnumericalcalculationmethodwasintroducedincalculationofchaffcloudpolarizationscatteringcharacteristics.ThecalculationresultsshowthatthechaffcloudRCSisproportionaltodensity,andsatisfyingthelawthatfull-polarizationisgreaterthanco-polarizationandco-polarizationisgreaterthancross-polarization.Atthesametime,fourelementsofthepolarizedscatteringmatrixaregot.Theresearchconclusionsareofgreatsignificanceforbuildingofrealsimulationbattlefieldenvironment,conductingofradarpolarizationinterferenceexperimentandimprovementofradarperformance.

chaffcloud;co-polarization;cross-polarization;polarizationmatrix

2015-07-27

李尚生(1965-),男,山東平陰人,教授,碩士,研究方向:制導(dǎo)雷達(dá)技術(shù)研究。

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