[发明专利]基于积分边界的介质粗糙面有限元电磁仿真方法

说明书

技术领域

本发明属于雷达电磁仿真领域，具体涉及电磁散射数值仿真，用于获取介质粗糙面等无界区域的电磁散射参数。

背景技术

随着雷达技术的快速发展，粗糙面的电磁散射研究在理论分析与实际应用中具有重要的意义。当机载或者星载雷达对粗糙面等背景中的目标进行电磁探测时，雷达的回波信号中包含了粗糙面背景的电磁散射信号，通过分析这些回波信号，进而可以得出粗糙面以及探测目标的某些特性。因而，粗糙面雷达散射特性的研究在国防领域和民用领域具有显著的学术价值和广泛的应用前景。

在过去的几十年中，许多电磁仿真技术被学者提出用以处理地海面的电磁散射问题，大致分为近似方法和数值方法。近似方法的优点是消耗内存低、分析速度快，然而近似方法都是基于特定的物理近似，其精度往往较低并且不具有通用性。虽然数值方法消耗内存较大，分析速度较慢，然而与近似方法相比保持了较高的仿真精度。基于积分方程方法的矩量法、快速多级子方法等等虽然仿真精度较高，但对于非均匀介质问题，传统的基于积分方程的数值方法难以处理。利用有限元方法讨论无界区域问题，往往需要引入截断边界条件，将无限大区域截断为有限大小的仿真区域。在以往的地海面问题中，完全匹配层、吸收边界条件往往用来作为人工边界，然而采用这些近似边界条件分析精度较低，而且往往需要设置在离模型较远的距离处，这样就大大增加了仿真问题所需的未知量。而作为最精确的边界条件，积分边界条件仅仅用于有限大小目标的电磁仿真中，未见基于积分边界的有限元方法应用于介质粗糙面雷达散射参数仿真中。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提供一种基于积分边界的介质粗糙面有限元电磁仿真方法，以将有限元方法应用到介质粗糙面雷达散射参数的电磁仿真中并保持较好的仿真精度。

实现本发明目的的技术方案，包括如下步骤：

（1）根据介质粗糙面的功率谱密度和粗糙面参数，通过蒙特卡洛方法产生仿真的介质粗糙面；

（2）通过人工边界将介质粗糙面仿真区域进行截断处理，然后对介质粗糙面仿真区域进行三角面元离散，并对离散三角面元进行编号，将该编号作为仿真区域的面元编号；

（3）根据面元编号的仿真区域，获得介质粗糙面离散仿真区域的有限元方程和人工边界处的积分边界条件，并将获得的有限元方程与积分边界条件结合成一个电磁耦合方程组；

（4）将电磁耦合方程组转化为电磁耦合矩阵，并求解电磁耦合矩阵获得介质粗糙面仿真区域的雷达散射参数。

本方法由于采用积分边界条件作为人工边界，避免了近似吸收边界的吸收不完全性，提高了电磁数值仿真的准确性，保留了有限元方法的优点，并可以将积分边界设置在离介质粗糙面很近的距离上甚至在粗糙面表面；同时由于本发明需要对粗糙面仿真区域进行离散，所以特别适合用于介质粗糙面雷达散射参数的电磁仿真。

附图说明

图1是本发明的实现流程图；

图2是本发明中对介质粗糙面仿真区域进行截断后的示意图；

图3是用本发明与现有矩量法仿真的介质粗糙面表面总场对比图；

图4是用本发明与现有矩量法仿真的介质粗糙面雷达散射系数对比图。

具体实施方式

参照图1，本发明的具体实现步骤如下：

步骤1：根据介质粗糙面的功率谱密度和粗糙面参数，通过蒙特卡洛方法产生仿真的介质粗糙面：

（1.1）通过实验获得所要仿真介质粗糙面的均方根高度、相关长度等粗糙面参数和功率谱密度，并选取一系列振幅独立的高斯随机变量的高斯谐波；

（1.2）根据获得的介质粗糙面的均方根高度、相关长度等粗糙面参数和功率谱密度，选取N个离散采样点x_-N/2+1，…，x_-1，x₀，x₁，…，x_N/2，在离散点处通过蒙特卡洛方法将大量的振幅独立的高斯谐波进行叠加，然后作逆傅里叶变换生成所要仿真的介质粗糙面。

所述的蒙特卡洛方法是通过功率谱密度产生随机粗糙面的数值仿真方法，具体内容可见Tsang L、J A Kong和K H Ding所写著作《Scattering of Electromagnetic Waves:Numerical Simulations》。

步骤2：通过人工边界将介质粗糙面仿真区域进行截断处理。

参照图2，本步骤的具体实现如下：

（2.1）将介质粗糙面上方的人工边界设置在介质粗糙面轮廓上以减小分析区域，并将下方人工边界设置在离介质粗糙面水平面约0.5λ处；