基于矩量法的箔条云电磁散射快速计算与实验研究

作     者：吴东辉 

作者单位：西安电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郭立新;杨瑞科

授予年度：2022年

学科分类：11[军事学] 080904[工学-电磁场与微波技术] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 110503[军事学-军事通信学] 0810[工学-信息与通信工程] 1105[军事学-军队指挥学] 1104[军事学-战术学] 082601[工学-武器系统与运用工程] 081105[工学-导航、制导与控制] 0826[工学-兵器科学与技术] 081001[工学-通信与信息系统] 081002[工学-信号与信息处理] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：箔条云 矩量法 稀疏矩阵 并行加速 内场实验 

摘      要：箔条云是电子对抗战中一种有效的无源干扰物。在空战及海战的过程中,己方目标为躲避敌方雷达的追踪,通过抛洒箔条云干扰敌方雷达作为自我防护的手段。并且,由于箔条的制作成本低,通用性强,可干扰各种体制的雷达,故其被广泛安置在各国的军事作战设备中,扮演着不可或缺的角色。在理论研究方面,由于箔条云是由大量金属纤维组成的散射体,这使得箔条云在空中扩散的动力学建模较难,并且由于箔条元素之间存在复杂的电磁耦合,这使得其电磁散射计算面临巨大的压力;在对箔条进行建模及散射计算时,对更符合实际场景的弯曲状箔条的建模及散射计算研究较少;对于布放策略为拖拽式干扰的网状干扰绳的结构及散射特性的研究较少。本文使用可精准计算箔条电磁散射的脉冲基函数矩量法对不同随机分布模型、动态扩散的箔条云及各种新型网状结构的箔条干扰物进行散射计算分析。为了提高箔条云团电磁散射的计算效率,提供一种箔条间耦合效应分析的方法并基于稀疏矩阵的GPU加速解法提高算法效率,并基于区域分解方法进一步扩大计算规模。最后开展箔条及箔条云团的室内散射特性测量试验,通过试验进一步验证算法的准确性,并通过实验角度对各箔条模型的散射特性进行分析。论文具体工作从以下几个方面展开:首先,基于电磁散射理论和矩量法的思想,推导基于脉冲基函数矩量法的公式,得出脉冲基函数计算三维目标的基本原理。基于推导得出的脉冲基函数矩量法的基本原理,计算单根箔条模型的雷达散射截面,并与商业软件计算结果进行对比,验证了算法的合理性。其次,为模拟真实场景下所抛洒的箔条云的分布特征,分别建立中心点及姿态角满足正态分布及均匀分布的箔条云模型,对不同曲率的弯曲箔条进行建模仿真分析,并将不同分布的弯曲与非弯曲状箔条云模型进行散射计算对比并分析得出其之间的极化散射特性、方位散射特性及带宽特性的差异。对爆炸型箔条云由爆炸到扩散整个过程进行仿真建模,并对箔条云扩散过程中不同时刻的RCS进行计算,分析其散射特性的变化,对干扰持续时间进行了相关评估。针对拖拽式干扰物提出新型的网状干扰绳结构设想并进行建模,对各网状结构干扰绳进行散射计算,给出了各结构的极化散射特性、方位散射特性及带宽特性的优缺点。接着,对于箔条云这种复杂电大问题,在利用矩量法求解阻抗矩阵方程时,将需要消耗相当大的存储与较长的计算时间。本文根据能量传输理论及迪杰斯特拉最小路径寻优算法迭代求解不同分布箔条云箔条之间的耦合半径。基于箔条间的耦合半径进行稠密阻抗矩阵稀疏化,并利用CSR存贮方式减小存储量。并基于该存贮方式利用基于GPU的共轭梯度法并行迭代求解稀疏矩阵方程,有效的降低了计算时的时空复杂度。并且,对于箔条云这种几何上不连续的电磁目标,利用区域分解技术根据箔条云的实际分布情况将其分成几个子区域,区域之间不存在电流的连续性问题,分块并行计算各子区域的电流矩阵,进一步考虑区域之间箔条的耦合作用,进而求出整个区域的电流矩阵。最终满足了更大数量箔条云散射的计算要求,进一步扩大了计算规模。最后,基于上述计算箔条云团RCS得到的结果,使用课题组搭建的暗室频域测量实验系统开展箔条及箔条云内场散射特性试验,通过对比不同箔条阵列模型RCS实测与仿真结果,验证本文方法的正确性。基于箔条阵列及三维箔条云模型的散射测量结果,对不同二维及三维箔条模型进行散射特性分析,对箔条的实际应用场景给出相关分析和建议。