基于Pro/E的RCS計算

摘 要：針對復雜目標外形RCS分析設計的實際需要，采用Pro/Toolkit程序開發技術，在VS 2008環境下對Pro/E進行二次開發，實現了Pro/E造型軟件與RCS預估分析的集成。論述了具體的開發設計方法，以物理光學法為基礎，采用一種新型目標離散方法計算目標RCS。給出典型體的算例，表明算法具有較好的計算精度。該方法可以簡化預估過程，實現目標外形與RCS的一體化分析，提高總體設計效率，因此具有較高的工程應用價值。

關鍵詞：雷達散射截面； Pro/E二次開發； 電磁計算； 物理光學法

中圖分類號：TN011-34 文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2011)17-0015-03

RCS Calculation Based on Pro/E

ZHANG Yu-hui， LI Jian-zhou， LI Dong

(School of Electronics and Information， Northwestern Polytechnical University， Xi’an 710129， China)

Abstract： A new RCS evaluation method and a new kind of target discretization is proposed by integrating PO into Pro/E modeling software to provide an integrative environment. Under the VS2008 environment， using Pro/Toolkit procedure development technology to carry on secondary development in Pro/E. So RCS analysis can be done at any moment of target shape design in this environment. The procedure of the software development is discussed in detail. Numerical samples show that this RCS evaluation method is accurate and much more efficient.

Keywords： radar cross section; secondary development of Pro/E; electromagnetic computation; physical optics

0 引 言

復雜目標RCS［1-2］的分析預估一直是電磁場理論研究的一個重要課題。對于飛機、導彈、坦克、艦船等復雜目標，在其外形設計階段就需要實時預估其散射特性［2-3］，以便為外形修改提供依據。其中一個關鍵步驟是目標外形設計模型到RCS計算模型的轉換。工程中采用三維CAD造型軟件完成外形設計后轉換成RCS計算模型需要耗費大量的時間，并且很難保證模型精度。人們希望能夠將目標外形設計和電磁散射分析相結合，實現外形與隱身性能的一體化優化設計。將RCS分析預估與CAD造型軟件集成，可以很好地解決這個問題［4-5］。Pro/E（Pro/Engineer）［6］是美國參數技術公司（Parametric Technology Corporation，PTC）研制的三維CAD/CAM軟件，該軟件廣泛應用于造型設計、機械設計、模具設計、加工制造、機構分析、有限元分析及相關數據庫管理系統等各個領域。在提供強大的設計、分析、制造功能的同時，Pro/E也為用戶提供了多種二次開發工具，目前采用比較多的是Pro/Toolkit。本文以物理光學法為原理，利用Pro/Toolkit對Pro/E進行二次開發［6-8］，實現在Pro/E中對模型實時進行RCS分析進行預估。這種方法可以簡化預估過程，特別是其中的模型前處理過程，實現目標外形與RCS的一體化分析，提高總體設計效率，因此具有較高的工程應用價值。

1 物理光學近似

本文算法采用物理光學（PO）法。物理光學通過對感應場近似積分求得散射場，克服了平表面和單彎曲表面RCS出現無限大的問題，因為感應場保持有限，散射場也就同樣有限。其出發點是Stratton-Chu散射場積分方程，按照物理光學法，為簡化Stratton-Chu積分方程的求解，需要做出以下假設:

(1) 散射體表面的陰影部分總場為零；

(2) 遠場近似：以波長和散射體的相對尺寸來說，觀察點或接收天線與散射體相距很遠；

(3) 切平面近似:用入射場表示散射體表面的總場。

假設(1)只有當波長相對于散射體尺寸很小即假設(2)成立時才成立。綜合以上物理光學近似，Stratton-Chu積分方程簡化為：

2 RCS計算與Pro/E的集成

目標RCS的計算分為模型的網格離散和RCS計算兩個基本步驟。傳統的網格離散方法 ［9］都是直接在模型上劃分合適的單元，而圖形算法則是將三維的幾何模型投影到計算機屏幕上，再按照屏幕上的像素將模型進行離散。計算時根據光照信息反算出各像素的法矢量，進而計算目標的RCS。按像素離散的最大優點是處理過程非常簡單，網格離散不受目標復雜程度的影響，具有極快的離散速度。然而，當顯示器分辨率固定時，像素尺寸就是固定的，不管目標的電尺寸多大，離散后的網格大小（密度）總是固定的。這顯然不符合RCS計算的原則。本文從像素離散的本質出發，采用一種新型目標離散方法，既能保持處理過程簡單的優點，又能根據需要任意調整離散密度。

圖1為新的模型離散方法示意圖。假定雷達沿z軸負向入射，在z為一定值的位置處放置一個假想的平面，使其垂直于z軸。分別以適當的間距沿x，y方向將平面劃分為矩形網格，取任一網格單元的中心，將該點沿入射方向投影到目標表面。根據目標的幾何外形數據和投影線矢量，應用射線求交算法可以計算出目標表面投影點的三維坐標和法矢量，進而可以計算目標RCS，得到目標散射特性。這種新方法的網格離散具有極大的靈活性，可以隨著目標電尺寸的不同而調整，并且由于不需要光照和像素處理，可以用于解決圖形算法不便處理的問題。

完成對模型的網格離散之后，利用編寫的源程序對目標模型進行RCS計算。本文利用Pro/E的二次開發工具Pro/Toolkit封裝的庫函數與頭文件調用Pro/E底層資源，采用同步模式下的DLL模式，借助第三方編譯環境（C++）進行調試［10-12］，開發環境為Windows XP+Pro/E 4.0+VS 2008。在下一節中將給出計算實例驗證程序的正確性。

3 計算實例

本文用兩個典型體的計算結果來說明所提方法的可行性與程序算法的可靠性。

例1：立方體單站RCS。立方體邊長為300 mm，入射波頻率為9.375 GHz。圖2為文獻[5]的測試結果，圖3為Pro/E中建立的模型和本文計算結果。可以看出，這一結果與測試結果吻合得非常好。在45°與135°附近誤差稍大，這是因為目前沒有考慮目標的邊緣繞射。

例2：圓柱單站RCS。圓柱直徑為270 mm，長度為620 mm，入射波頻率為4 GHz，0°為圓柱正側面。圖4為矩量法的計算結果［13-15］，圖5為Pro/E中建立的模型和本文計算結果。可以看出，計算結果與矩量法測試結果吻合得較好。

以上算例所用模型都是在Pro/E中生成的。在保證計算精度的情況下，從創建模型到完成計算都可以在很短的時間內完成，應用到飛機、導彈等復雜模型的工程實踐中可以顯著提高整體分析效率。

4 結 語

本文詳細研究了RCS計算與Pro/E軟件的集成問題，并且用兩個典型體的計算結果驗證了方法的可行性以及程序算法的正確性。這種方法不但能滿足精度要求，而且能在Pro/E中對所建目標模型進行RCS實時預估，不僅縮短工程周期，而且提高了RCS分析工作的效率，有一定的工程應用價值。

參 考 文 獻

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作者簡介：

張宇暉 男，1985年出生，甘肅定西人，碩士研究生。主要研究方向為電磁散射計算、小衛星天線。

李建周 男，1972年出生，陜西岐山人，研究生導師，副教授。主要研究方向為目標建模及電磁散射計算、小衛星天線等。

李 棟 男，1985年出生，陜西西安人，碩士研究生。主要研究方向為電磁散射計算、電磁場數值計算。