《电子技术应用》
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基于FEKO软件的目标RCS计算及数据分析
2018年电子技术应用第2期
秦 琴1,王晓峰2,焦金龙2,王 晨2
1.上海第二工业大学,上海201209;2.澳汰尔工程软件(上海)有限公司,上海 200436
摘要: 雷达工程师通常需要计算和分析目标的雷达散射截面(RCS)数据,通过RCS的一维概率密度函数及二维密度分布图来分析目标的隐身特性。另外,通过雷达对目标的扫描角度旋转及入射平面波频率变化获得的RCS数据,通过二维逆傅里叶变换可获得目标的逆合成孔径雷达成像。FEKO是一款三维电磁场分析软件,给出了基于FEKO软件计算目标的RCS,并利用软件的Lua脚本语言分析目标RCS一维概率密度函数、RCS二维密度分布及逆合成孔径雷达成像技术。
中图分类号: TN974
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.170927
中文引用格式: 秦琴,王晓峰,焦金龙,等. 基于FEKO软件的目标RCS计算及数据分析[J].电子技术应用,2018,44(2):102-104.
英文引用格式: Qin Qin,Wang Xiaofeng,Jiao Jinlong,et al. RCS computation and data analysis of target base FEKO[J]. Application of Electronic Technique,2018,44(2):102-104.

RCS computation and data analysis of target base FEKO
Qin Qin1,Wang Xiaofeng2,Jiao Jinlong2,Wang Chen2
1.Shanghai Polytechnic University,Shanghai 201209,China;2.Altair Engineering Software(Shanghai) Ltd.,Shanghai 200436,China
Abstract: Radar engineers often have special requirement for the RCS data computation and analysis of target. The investigation of target delectability can been obtained by 1-dimensional probability density functions(PDF) and 2-dimensional RCS intensity. Based on varying angles of incidence and frequency of excitation RCS data, target′s Inverse Synthetic Aperture Radar(ISAR) image can been calculated by 2D-IFFT. FEKO is a 3D commercial electromagnetic software. In this paper, a missile model′s RCS is computed by FEKO, the RCS 1-dimensional PDF and 2-dimensional RCS intensity and ISAR image are also presented.
Key words : RCS;FEKO software;ISAR;probability density functions

0 引言

    电子对抗是现代战争中的关键之一。随着雷达技术的发展,雷达的探测能力不断提高,发现目标的距离大大缩短,因此隐身技术成为增强突击能力和包含自身安全的重要手段。例如,在四代战机中,隐身性能是其核心技术指标之一。目标的隐身性能取决于其雷达散射截面(RCS)的大小。目前,确定一个目标的RCS通常依赖于试验测量和电磁理论仿真计算。试验测量方法受测试条件、环境、成本等影响往往难度大。

    伴随着计算电磁学(CEM)的发展,计算电磁仿真技术已经广泛应用各类电磁问题。特别是基于积分方程的快速算法多层快速多极子(MLFMM)算法的出现[1-2],使得精确计算大尺寸目标的RCS成为可能。

    雷达工程师对通过测量或者电磁仿真计算得到的RCS数据需要进行各类分析及应用[3-4],具体包括:

    (1)目标的可探测性:需要分析目标随频率、方位变化的RCS值。分析目标的RCS概率密度;

    (2)目标电磁隐身特征分析:分析目标各方位的RCS分布,例如分析哪种方位易被雷达捕获等;

    (3)目标识别:分析目标的雷达高分辨距离像(HRRP)及逆合成孔径雷达成像(ISAR)。

    本文应用FEKO软件对目标RCS进行计算,并应用Lua脚本语言对目标的RCS数据进行分析。首先,采用MLFMM及高阶矩量法计算了某导弹模型的单站RCS,其次对RCS数据进行一维概率密度统计,并三维显示了RCS强度分布图。最后实现了逆合成孔径雷达(ISAR)成像。

1 RCS仿真方法

    基于积分方程的多层快速多极子方法(MLFMM)是以矩量法为基础的快速算法,MLFMM将计算存储量和计算复杂度降低到N·Log(N)量级,因此MLFMM已经广泛应用于电大尺寸问题的散射和辐射分析中[5]。另外,高阶基函数(HOBF)矩量法也适合求解电大尺寸问题的分析,HOBF克服了MLFMM方法对某些强谐振问题收敛差的问题,特别对单站RCS计算时,HOBF由于仅需一次矩阵求逆计算,单站RCS计算速度非常快。

    相比精确的数值方法,高频近似方法物理光学(PO)也常用于电大尺寸目标的RCS计算中。PO常用于简单的、光滑的模型计算中,PO忽略了射线的多次反射和绕射。

    在商用软件中,FEKO软件是第一款实现MLFMM商用的三维电磁仿真软件,软件包含有限元(FEM)方法,HOBF矩量法以及高频算法(物理光学PO、几何光学GO)等。丰富的计算电磁学算法使得FEKO软件已经广泛应用各类RCS问题的精确、快速求解。

2 目标RCS数据分析

    FEKO软件的后处理PostFEKO提供脚本语言Lua。Lua是一个小巧的脚本语言,完全嵌入到了PostFEKO中。应用Lua脚本可方便对目标的RCS数据进行处理及二次开发,返回的二维曲线及三维结果可在PostFEKO中直接显示。本文基于Lua脚本对目标的RCS进行了ISAR成像和数据分析。

2.1 RCS逆合成孔径雷达(ISAR)成像

    逆合成孔径雷达(Inverse Synthetic Aperture Radar)成像是通过信号处理获得雷达探测目标的二维图像。在军用雷达系统中常用ISAR进行目标探测和识别。通过目标随频率和方位变化的RCS散射数据可得到目标的ISAR成像。其中纵向距离(down-range)定义为平行于入射方向的轴,down-range成像需要宽频带的散射场。横向距离(cross-range)垂直于down-range,应用不同角度的散射场数据可得到cross-range的成像。

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2.2 目标RCS的数据分析

    RCS数据的一维概率密度函数(Probability density functions(PDF))指示了目标RCS的概率分布。三维RCS的强度分布图直观地显示了目标RCS随角度的强弱变化。基于Lua脚本可快速对目标的RCS进行数据分析,绘制三维强度分布图及概率密度图。

3 计算结果

    本文选用简单的导弹模型,导弹长度为0.8 m,计算频率为10 GHz,采用MLFMM方法网格剖分68 800个三角形,如图1所示。FEKO 14.0 版本支持曲面网格高阶基函数矩量法,并支持MLFMM加速,采用3.5阶基函数,网格数目为2 514,虽然采用了较大网格,但曲面单元还是能很好地拟合弹体的弧度,如图2所示。

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    分别采用MLFMM方法、高阶基函数矩量法(3.5阶)计算该模型的单站RCS,频率为10 GHz。入射角度θ=90°,jsj2-t2-x1.gif取0°~180°,每间隔0.5°一个点,垂直极化。如图3所示,两种方法吻合较好。对于单站RCS计算,高阶矩量法矩阵直接求解,不存在收敛问题,且矩阵只需进行一次LU分解即可快速计算其余入射角度的RCS值。

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    如图4,平面波入射角度为θ=60°~120°,jsj2-t2-x1.gif=0°~180°,计算导弹模型侧面的单站RCS如图5所示,VV极化。采用MLFMM方法计算。图5给出了三维RCS分布图。

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    采用FEKO中的数据处理脚本得到模型RCS的一维概率密度分布,如图6所示。通过对RCS一维概率密度,可快速评估该模型的雷达隐身特征及可探测性。

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    最后,对该导弹模型进行ISAR成像计算。计算频率选择8.5 GHz~11.5 GHz,每隔50 MHz计算一次。采用集成的Lua脚本语言实现ISAR成像。图7为计算得到的导弹模型ISAR成像。

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4 结论

    通过案例计算分析,FEKO软件的多层快速多极子方法及高阶矩量法非常适合电大尺寸目标的RCS精确计算。另外,FEKO的高频方法能够对目标RCS进行快速评估。利用软件的Lua脚本语言可快捷地对RCS进行数据分析和处理,得到一维概率密度密度分布图及逆合成孔径雷达成像ISAR,有助于雷达工程师进行各类后期数据分析。

参考文献

[1] 唐煜,顾长青.一种改进稳定性的时域电场积分方程法[J].微波学报,2008,24(4):31-35.

[2] ERGIN A A,SHANKER B,MICHIELSSEN E.The plane-wave time-domain algorithm for the fast analysis of transient wave phenomena[J].IEEE Antennas Propag Mag,1999,41(4):39-52.

[3] 沈静,万国宾,尤立志,等.目标二维RCS成像仿真与实验研究[J].微波学报,2015,31(6):78-81.

[4] 庄亚强,张晨新,张小宽,等.典型隐身飞机动态RCS仿真及统计分析[J].微波学报,2014,30(5):17-21.

[5] 郭星月,刘阳,周海京,等.并行时域电场积分方程方法在动态海面二维电磁散射中的应用[J].强激光与粒子束,2015,27(10):72-77.