基于FEKO的非合作目标动态极化散射特性实时仿真*

吴盛源, 张小宽, 袁俊超, 林存坤

(1 空军工程大学防空反导学院, 西安 710051; 2 95972部队, 甘肃酒泉 735000)

基于FEKO的非合作目标动态极化散射特性实时仿真*

吴盛源1, 张小宽1, 袁俊超1, 林存坤2

(1 空军工程大学防空反导学院, 西安 710051; 2 95972部队, 甘肃酒泉 735000)

针对非合作目标动态测量难以开展的问题,研究了基于FEKO的雷达目标动态极化散射特性实时仿真方法。首先给出了随时间变化的方位角和俯仰角的求解公式,然后介绍了利用FEKO实时仿真计算目标动态极化散射矩阵的方法及其步骤。仿真结果表明,机动目标的动态极化散射特性敏感于雷达视线角,雷达视线角变化越剧烈,插值法获得的极化数据越偏离实时仿真数据。验证了该实时仿真方法的有效性和准确性。

动态;实时;极化散射特性;FEKO;雷达视线角

0 引言

雷达目标的极化散射矩阵表征了全部的目标散射特性信息,是极化信息处理的基础[1-2]。准确获取目标的极化散射矩阵是研究极化检测、极化抗干扰、极化目标识别的前提[3-8]。对于运动目标,不能用单一的极化散射矩阵表示,需要根据观测视线的变化用时变的极化散射矩阵序列表示[9-10]。

获取非合作目标动态极化散射特性的主要方法是:首先通过微波暗室获得间隔1°的全空域数据,再根据目标机动航迹获得随时间变化的雷达视线角,最后利用插值的方法获得动态极化散射矩阵。暗室缩比模型测量方法成本高,耗费时间长,采用插值的方法将产生误差,无法获得连续的动态极化散射特性。基于软件的仿真方法由于其可重复性好、成本低等优点,越来越受到重视。因此,文中基于商业电磁仿真软件FEKO,研究了雷达目标动态极化散射特性的软件仿真方法。

1 雷达视线角

目标运动过程中,在雷达坐标系中坐标的变化将引起目标坐标系中雷达视线角的变化,而目标的极化散射特性取决于雷达视线角。因此,必须根据目标飞行航迹和目标姿态的变化,进行坐标变换,求出目标坐标系中随时间变化的方位角和俯仰角,雷达坐标系和目标坐标系的定义以及具体的转换过程可参考文献[11-13]。

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2 仿真方法

2.1 几何建模

FEKO本身可以利用CADFEKO等自身软件模块来建立几何模型;对于复杂目标建模,FEKO还可以通过与多个专业三维设计软件(如catia,ansys等)接口,导入它们建立的三维模型,也可以直接导入划分好网格的文件。

2.2 网格剖分

一般来说,网格单元边长取1/8～1/10波长,而对于采用PO算法则可以适当取大一些边长值。对于已经划分网格的模型,可以在FEKO中重新定义网格,来满足计算要求。网格划分的大小决定了计算能否成功以及计算时间的长短,所以应尽量以节省时间而又能成功计算为准则。

2.3 算法选择

FEKO[14-15]是一个以矩量法(MoM)为基础的商业电磁仿真软件,并且集成了多层快速多级子算法(MLFMM)、几何绕射理论(GTD)、一致性绕射理论(UTD)和物理光学法(PO)等多种算法。提取目标极化散射矩阵需要获取准确的幅度和相位信息,数值方法能求解非常复杂的散射体,同时具有很高的求解精度,因此应当采用精确数值计算方法。

随着对矩阵方程快速求解问题的研究,研究者开发出了基于MoM的快速多级子算法(MLFMM),矩量法需要计算各个基函数间的相互作用,而MLFMM首先将基函数归类分组,然后计算不同基函数组间的相互作用,如图1所示。

MoM将N个基函数看成是相互孤立的,造成了N2规模的内存需求和N3规模的CPU消耗时间。而针对同一个求解问题,MLFMM算法只需要N·log(N)规模的内存需求和N·[log(N)]2规模的CPU消耗时间。

2.4 动态参数设置

提取目标的静态极化散射矩阵,在CADFEKO中完成目标几何建模、频率设置、网格剖分、姿态角设置、单双站设置和算法选择后,首先设置水平极化发射,仿真生成的.out文件中EPHI即为散射矩阵中的Shh元素,ETHETA即为散射矩阵中的Svh元素。然后设置垂直极化发射,仿真生成的.out文件中EPHI即为散射矩阵中的元素Shv,ETHETA即为散射矩阵中的元素Svv。

提取运动目标的动态极化散射矩阵,首先在MATLAB中根据坐标转换公式,以一个脉冲重复周期为间隔进行采点,获取随目标实时变化的雷达视线角,并保存在一个.dat文件中,.dat文件中有两列数,第一列表示方位角,第二列表示俯仰角。EDITFEKO中的for卡和next卡提供了强大的循环调用功能,可以实时调用随时间变化的雷达视线角进行计算,求得目标动态极化散射矩阵。在CADFEKO中完成目标几何建模、频率设置、网格剖分和算法选择的基础上,然后在EDITFEKO中设置参数的具体实现步骤如下:

1)在“** Sources”下面,添加for卡,for卡中设置循环变量名为“i”,以及循环的起始值、终止值和循环步长。

2)添加#卡,定义方位角变量为“phi”,读取.dat文件,设置第i行、第一列的数为方位角;定义俯仰角变量为“theta”,读取.dat文件,设置第i行、第二列数为俯仰角。

3)将原有的A0卡删除,添加新的A0卡,在Number ofθangles后输入:1,在Number ofφangles后输入:1,在Initialθvalue后输入:#theta,在Initialφvalue后输入:#phi,设置幅度为1,相位为0,设置所需的极化方式。

4)添加FF卡,即设置远场求解,并根据需要设置单双站仿真。双站角的设置方法与入射角的设置方法类似。

5)点击RUN FEKO,运行FEKO进行仿真计算。

对于同时全极化测量体制雷达,首先设置水平极化发射,获得动态极化散射矩阵第一列元素,然后设置垂直极化发射,获得动态极化散射矩阵第二列元素。

3 动态极化特性仿真分析

目标朝向雷达站飞行并做偏航机动,其机动航迹为抛物线,且机头方向为抛物线的切线方向,起点坐标为(80 km,0 km,5 km),终点坐标为(5 km,6 km,5 km)。图2～图4给出了其机动曲线、雷达视线角变化,目标动态多极化RCS如图5所示,图6对比了文中提出的实时仿真方法与插值法获得的极化比。

由图5可知,利用文中提出的仿真方法,能仿真获得任意时刻的目标极化散射特性。说明对于高速机动目标,不能用单一的极化散射矩阵描述极化特性,必须研究其实时动态极化散射特性;由图6可知,插值法获得的极化比在实时仿真获得的极化比上下波动,在前140 s,雷达视线角变化缓慢,极化比变化缓慢,两种方法的差值较小,最大差值为4。在140 s之后,雷达视线角变化剧烈,极化比剧烈变化,两种方法的差值较大,最大差值达到25。说明当飞机做超机动时,采用插值法研究其动态极化散射特性将带来较大的误差,采用文中提出的实时仿真方法,能够保证获得的极化散射特性的准确性。

4 结论

文中研究了基于FEKO软件的目标动态极化散射特性提取方法,并利用该方法仿真获得偏航机动下的目标实时动态极化散射特性。仿真结果表明,文中提出的软件实时仿真方法可以提取准确的目标动态极化散射矩阵,是研究非合作目标动态极化散射特性的有效方法。

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Real-timeSimulationoftheDynamicPolarizationScatteringCharacteristicsofNoncooperativeTargetBasedonFEKO

WU Shengyuan1, ZHANG Xiaokuan1, YUAN Junchao1, LIN Cunkun2

(1 Air and Missile Defense College, Air Force Engineering University, Xi’an 710051, China; 2 No.95972 Unit, Gansu Jiuquan 735000, China)

The real time simulation method of dynamic polarization scattering characteristics of radar target based on FEKO was studied to solve the problem that the dynamic measurement of noncooperative targets was difficult to carry out. Firstly, the the formula of azimuth and elevation angle that varied with time variation were given. Secondly, the method and the procedure of the real time simulation and calculation of dynamic polarization scattering matrix of the targets using FEKO were introduced. The simulation results showed that the dynamic polarization scattering characteristics of maneuvering targets were more sensitive than radar aspect angle, and the more severe the change of radar aspect angle, the bigger the deviation of the polarization data obtained by interpolation from the real time simulation data was. The validity and accuracy of the real time simulation method were verified.

dynamic; real time; polarization scattering characteristics; FEKO; radar aspect angle

TN974

A

2016-08-29

重点实验室基金(STES201401-2)资助

吴盛源(1991-),男,福建漳州人,硕士研究生,研究方向:雷达目标特性及其应用。