箔條云建模與極化特性仿真技術研究

李尚生,付哲泉,陳佳林

(1 海軍航空工程學院電子信息工程系,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研究

李尚生1,付哲泉1,陳佳林2

(1 海軍航空工程學院電子信息工程系,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雷達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,將電磁場數值計算方法引入到箔條云極化散射特性的計算,計算結果表明箔條云雷達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律,同時計算得到了極化散射矩陣各元素數值。研究結論對于建立真實的模擬戰場環境、開展雷達的抗極化干擾實驗、改善雷達性能具有重要意義。

箔條云;同極化;交叉極化;極化矩陣

0 引言

近代戰爭中,箔條在掩護飛機編隊和保護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。關于箔條干擾雷達回波特性的研究在時域[1-3]和頻域[4-6]方面起步早、成效顯著,相關研究結論已經得到應用,而回波極化特性研究起步較晚。一般而言,獲取箔條云雷達回波極化特性的途徑有兩個:一是通過試驗的方法;二是通過理論分析和仿真的方法。由于現有雷達極化體制的限制,以及外場測試箔條回波信號特征周期長、花費高的原因,通過試驗手段獲取箔條云團雷達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箔條云散射矩陣統計特征的理論推導計算,不能真實體現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,將電磁場數值計算方法引入到箔條云極化散射特性的計算。

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,由于空氣流動、箔條間相互碰撞等因素,導致各箔條之間運動狀態相差很大。理論和實際測量結果表明,箔條云團在空中炸開后,其形狀逐漸由球體變為扁長橢球體,且箔條絲在空中服從均勻或正態分布。

1.1 單根箔條模型的建立

當箔條被電磁波照射時,其表面會產生感應電流,感應電流在箔條的周圍產生交變的電磁場,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發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,具備同時干擾多頻段雷達的能力,一般將不同頻率對應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,厚度忽略不計的理想金屬導體作為箔條。

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

圖1 頻率10 GHz對應的半波長箔條剖分結果圖

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的不同長度箔條剖分模型。

1.2 箔條云模型的建立

實際使用時,箔條彈中箔條數量巨大,逐一對箔條建模的方法將花費很長時間。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空間分布的要求進行旋轉、平移的方法提高效率。下面詳細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個頂點唯一確定。若箔條云中箔條個數為N,則只需確定對應的4N個頂點坐標,就可以得到所需箔條云模型。若箔條模型的一個頂點坐標為r0=(x0,y0,z0),則第i根箔條對應的頂點可以由r0依次繞x、y、z軸旋轉αi、βi、γi角度,然后坐標平移(xi,yi,zi)得到。旋轉后的坐標(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(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,因此對應的變換后頂點坐標為:

(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個頂點坐標,確定第i根箔條的位置。

由于箔條云在空間分布時不會出現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,就可以導入到ANSYS軟件中進行剖分處理。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分布的模型。其中,4 000根箔條由10GHz和15GHz對應的半波長、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的橢球正態分布。

圖2 球體均勻分布箔條云模型

圖3 橢球正態分布箔條云模型

2 箔條云回波信號計算與分析

FEKO軟件是基于矩量法,對目標三維全波電磁仿真的軟件,同時集成多種算法,對計算電大尺寸模型的電磁特性有很大優勢。對金屬導體(如箔條),FEKO可以計算導體表面的面電流分布,然后計算近場、遠場、RCS等參數。將建立好的箔條云模型導入FEKO軟件,結合矩量法和快速多極子算法分析箔條云單站遠場回波特性。設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行計算,結果如圖4、圖5所示。

圖4 箔條云(4 000根)單站遠場計算結果

圖5 箔條云(12 000根)單站遠場計算結果

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

從圖表中可以看出不同極化接收時,雷達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,雷達截面積也增大。同一極化方式下,兩種密度箔條云的雷達截面積相差3倍左右,說明在以上密度范圍內箔條云雷達截面積與箔條云密度成正比。

表1 不同接收極化方式時箔條云計算結果

(4)

式中:上標s表示散射電磁波;aHH表示水平極化入射產生水平極化散射場的散射系數;aHV表示水平極化入射產生垂直極化散射場的散射系數。同理,垂直極化照射下目標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根箔條構成的箔條云模型,將入射波極化方向改為水平極化,計算結果如圖6所示。

圖6 水平極化波入射時的箔條云單站遠場計算結果

圖7 箔條云(4 000根)極化散射矩陣各元素變化圖

圖6中紅色實線、綠色點狀線、藍色虛線分別表示全極化、同極化、交叉極化接收時的雷達截面積。可以看出水平極化入射時,全極化、同極化、交叉極化雷達截面積大小的相對關系與垂直極化入射時一致。垂直和水平極化入射時箔條云的同極化、交叉極化電場幅度值如圖7所示,計算結果平均值如表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 極化矩陣各元素計算結果

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

3 結論

文中將電磁場數值計算方法引入到箔條云極化散射特性的計算,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場回波進行計算,分析得到箔條云極化散射特性,結果表明不同接收極化方式箔條云回波雷達截面積各不相同,但滿足全極化大于同極化、同極化大于交叉極化的規律,而且在文中箔條云模型密度范圍內,雷達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射和接收極化方式來分析其極化散射矩陣規律,結果顯示同一箔條云模型交叉極化(垂直極化發射水平接收和水平極化發射垂直接收)的雷達截面積完全相同,同時,同極化對應雷達截面積相比于交叉極化要大4dB以上。以上結論可以促進對回波極化域信息的利用,有助于在實驗室條件下建立不同狀態的箔條云干擾環境,開展雷達的極化抗干擾試驗。

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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:制導雷達技術研究。

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