复杂目标RCS计算的建模方法

陈　源,王如根

(空军工程大学工程学院　陕西西安　710038)

摘　要:介绍了复杂目标RCS计算中建模的3种方法,阐述了他们各自的优点和不足,并指出了参数曲面法将是未来复杂目标RCS计算中建模的首要方法。

关键词:复杂目标;RCS;建模方法;模型法

中图分类号:O29　　　　　文献标识码:B　　　　　文章编号:1004373X(2003)0205502

ModelingMethodsofRCSComputationonComplexObjects

CHENYuan,WANGRugen

(EngineeringInstituteofAirForceEngineeringUniversity,Xi′an,710038,China)

Abstract:IntroducedthreemodelingmethodsofRCScomputationoncomplexobjects1Italsoindicatedtheiradvantagesandshortages1FinallyItpredicatedthattheparametercurvesurfacemethodwouldbeaprincipalwayonthemodelingmethodsofRCScomputationoncomplexobjects1

Keywords:complicateobject;RCS;modelingmethods;modelmethods

　　在计算复杂目标的雷达散射截面(简称RCS)时,一个关键的问题就是对研究的目标进行建模。发展到现在,复杂目标RCS计算的建模方法大致经历了以下3个阶段。

1　简单的几何体组合模型法

软件包进行复杂目标的建模。这种方法将复杂目标用一系列的平板面元和棱边表示,这些平板面元和棱边的组合构成整个目标。该方法具有如下优点:

(1)算法简单,计算精度较高。可以处理外形任

意复杂的目标。

(2)容易计算相位。因为相位计算是在平面的层

复杂目标的散射最初是通过简单几何体的组合来模拟所研究对象整体的,分别计算简单几何的RCS,最后利用代数求和的方法得到目标总的RCS。如Mittra和Wright等人在研究真实飞机模型时,采用

次,而不是在组件的层次进行。

(3)可以计算多次散射。前向近似考虑了阴影效应。(4)可以方便处理介质涂层问题。不连续点可以

在目标的任意位置。

应用该方法,将物理光学中的面积分转化为各面元面积分的代数和,而面元(一般为多边形,如三角形或四边形等)的积分可以转化为边缘积分,由解析式给出,对于边缘绕射可以由等效电流法(MEC)求得。如NazihN1Youssef等人采用面元模型计算了复杂目标的RCS,结果具有很高的精确度。但是必须看到,对于目标表面曲率半径较小的区域,需要通过很多平板面元拟合才能保证复杂目标的计算精度,然而复杂目标这样的分块数目是很大的(因为面元模型存在相对收敛问题,一般近似模型的误差以不超过为好),就需要大量的内存来存放每一个面元及其与相邻面元的关系;另外判断每一面元是否为明区耗时巨大,且该方法还人为加入了“人造边缘”(分块时两平面之

55

椭球体近似飞机的机身,椭球板模拟飞机的机翼,采用锥柱连接体表示机身,用平板模拟机翼和尾翼的模型。这种方法具有建模简单和计算速度快的优点,但误差较大,且可获得解析解的典型几何体又很少,况且现代飞机的结构和外形千差万别,如B-52,F-117A等先进飞机。用这些典型几何体近似飞机的外形和部件的方法,从建模的开始就引入了误差,从而制约了模拟精度。因此此类模型已经不适应现代技术的要求,需要更精确的模型模拟实际目标。2　平板面元模型法

为了克服典型目标近似带来的不足,采用CAD

收稿日期:20021027

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陈　源等:复杂目标RCS计算的建模方法间地棱边),计算时就会产生“噪声”,影响RCS预估精度。

3　参数表面模型法

的通用性。

(3)可以将散射场的计算转换为曲面控制参数的

运算。

(4)对复杂目标的几何参数(如法矢量、曲率矩

随着计算机图形学技术的发展,复杂目标的参数曲面模拟已成为目标建模的发展趋势。1963年,美国波音公司的Ferguson首先将曲面表示成参数矢量核函数形式,19年MIT的Coons用封闭曲线的四条边界定义一块曲面,同年Schoenberg提出了参数曲面的形式;1971年Renault公司的Berier给出了用控制多边形定义曲面的方法;后来DeBoor和Gordon给出了B样条的计算方法;1975年Verspril在其博士论文中提出了有理B样条;20世纪80年代后,Piegl和Tiller将有理B样条发展成为非均匀有理B样条(NURBS,Non

UniformRationalB

Spline

Surface),并且该方法成为当前表示自由曲面最为流

阵等)可以通过控制点来获得,用于计算复杂目标的RCS。

(5)曲面上的射线追踪可以通过计算机图形学光

线跟踪技术来完成,达到实时计算目标RCS的目的。4　发展趋势

参数曲面模型法与平板面元法相比,具有拟合精度高、划分曲面片大大减少的优点,而且还消除了人工棱边“噪声”影响,是消除拟合误差的一种非常有效的手段。因此随着计算机技术的发展,参数曲面拟合方法将成为RCS预估软件的潮流,而NURBS方法也会成为描述参数曲面的首要工具。

参　考　文　献

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[3]　ZazihYoussN1RadarCrossSectionof

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[4]　WilliamGordonB1Far

totheKirchoff590～592

[5]　CharlesRyanE,LeonPetersJR1Evaluation

ofEdgeDiffractionFieldsIncludingEquivalentCurrentsfortheAusticRegions[J]1IEEE

fieldApproximation

helmholtzRepresentationof

行的技术,得到了广泛的应用。

现在参数曲面法已经应用到复杂目标RCS计算的建模中。如高频RCS预估软件RANURS,该软件由西班牙学者开发,其中的建模部分采用了NURBS方法模拟复杂目标;美国Illinous大学S1W1Lee教授带领开发的XPATCH软件中采用了计算机图形学中IGES的标准交换格式进行复杂目标的模拟;美国麦

道航空公司开发的CADDSCAT软件中包含两套建模工具,参数曲面法(三次有理B样条)和面元方法。此外还有英国的RESPECT软件采用了三次样条函数模拟坦克等军事目标。在这方面,国内有北京航空航天大学的王宝发等采用三次样条建模分析了飞机的电磁散射,西南交通大学朱贤阳等用双三次B样条曲面拟合技术计算了复杂目标的RCS,还有西北工业大学的马国忠等人应用曲面拟合方法研究雷达目标的角闪烁问题。所有这些计算结果表明,采用曲面拟合方法大大提高了RCS的预估精度。

参数曲面方法是伴随着计算机图形学发展起来的,他具有以下优点:

(1)建立复杂目标模型只须一些相互平行截面上

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～299Trans1AP,1969,17(3):292

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[8]　朱贤阳,任朗,汪秉文1双三次B样条曲面片

的型值点(或称为控制点),在理论上可以达到任意阶的连续性。

(2)能通过IGES的标准文件格式与图形软件交

换数据,如AutoCAD,3DS等三维建模工具。因为现代飞机等军事目标的设计均采用专用CAD软件,可以直接读入目标的结构数据,从而提高RCS预估软件56

拟合金属在散射场计算中应用[J]1电波科学

学报,1995(3):28～35

(下转第60页)　

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陈　兵等:基于神经网络的单步和多步电弧炉模型的研究与应用过与普通恒阻抗控制系统的控制比较,具有电极升降平稳、电流波动范围小、电效率提高等显著优点。这台由神经网络参与控制的高阻抗电弧炉废钢,熔清时间一炉为10～15min,包括吹氧脱碳的时间供电时间40min,如果配套工艺得当,1h出一炉钢是完全可以实现的,而且电能损耗也会大幅度下降。神经网络预估模型的建立,对控制效果起到了不可或缺的作用。

图3　两种预估方法的误差比较图

[5]　李士勇1模糊控制、神经控制与智能控制[M]1

estimaimpedance

参　考　文　献

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[8]　RoyBatruni1Amultiplayerneuralnetwork

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[4]　[美]DavidJ1KruglinskiMicrosoftVisualC++

610技术内幕[M]1北京:北京希望图书创作室,19991

作者简介　陈　兵　男,1974年出生,陕西人,本科就读于西安理工大学,毕业后从事钢铁公司设备控制系统的设计,安装与调试。

2000年考入西安理工大学自动化学院攻读硕士学位,从事电弧炉智能控制实际应用的研究,已有一套系统成功投产运

行。

(上接第56页)

[9]　JohnVolakisL1AHigh

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[11]　ElkingDM,RoedderJM,CarDD,etal1A

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～2201IEEEProH,1990,37(4):214

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Computationof

theRCSComplexBodies

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作者简介　陈　源　男,1967年出生,湖北安陆人,工程师,硕士生,现从事电磁散射理论研究。

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