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  • 雷达截面积(Radar Cross Section,RCS)(MATLAB部分仿真 Code)
    2021-04-19 06:06:46

    ??一 、RCS定义

    任何具有确定极化的电磁波照射到目标上时,都会产生各个方向上的折射或散射。

    其中散射波分为两部分:一是由与接收天线具有相同极化的散射波组成;二是散射波具有不同的变化,接收天线没有响应。这两种极化正交,分别称为主极化(Principle Polarization,PP)和垂直极化(Orthogonal Polarization,OP)。与雷达照射天线具有相同极化波的后向散射能量的强度用来定义目标RCS。

    用通俗的话讲:PCS是度量目标在雷达波照射下所产生回波强度的一种物理量。它是目标的假想面积,用一个各向均匀的等效反射器的投影面积来表示,该等效反射器与被定义的目标在接收方向单位立体角内具有相同的回波功率。一般用符号σ表示目标的雷达散射截面。

    72610529_1

    用σ 表示雷达目标截面积, 可写为 :

    72610529_2

    这是雷达目标截面积的实验定义式。σ 是雷达基本方程中的一个因子。已知发射功率Pt,发射和接收天线增益G,波长λ,目标到雷达的距离R,则雷达接收天线截获的功率为:

    72610529_3

    定义接收天线出的散射波的功率密度为,那么:

    72610529_4

    根据功率密度公式和天线截获功率,可以推出:

    72610529_5

    为了保证雷达接收天线在远场(也就是天线接收的散射波为平面波),修正上式为:

    72610529_6

    此式简称为单基地RCS、后向散射RCS或简单目标RCS。

    ——式中Pr等于Ei对应的功率,Ei表示雷达在目标处的照射场强;

    ——等于Er对应的功率,Er表示 目标在接收天线处的散射场强。

    因为雷达发射球面波,只有在满足远场条件(概略地说即当目标距离足够远时)目标在接收天线处的散射波才近似地表示为平面波。

    》》雷达目标截面积的这一定义与距离无关。

    一个具体目标的雷达截面积与目标本身的几何尺寸和形状、材料、目标视角、雷达工作频率及雷达发射和接收天线的极化有关。

    当其他条件不变时,目标尺寸越大,雷达截面积也越大。对于一定的雷达频率和固定的视角,目标的雷达截面积决定于极化。

    在远场和线性散射条件下,雷达目标截面积与极化的关系可表示为矩阵,称为雷达目标的散射矩阵。

    二、部分复杂目标RCS

    自然界中有很多实际目标,这些目标远比一般情况下的目标结构要复杂得多。这是因为它们包含多种散射体,表面外形和介电系数极其复杂。比如:昆虫、鸟类、飞机、舰船等。

    人类的RCS如下图:

    72610529_7

    特定频率f=9.4Ghz下不同昆虫RCS如下图:

    72610529_8

    反映雷达散射截面外通用的方法是用雷达散射截面的对数值的十倍来表示,符号是σdBsm,单位是分贝平方米(dBsm),

    即σdBsm=10lgσ。

    例如,RCS值0.1平方米对应的是-10分贝平方米(即-10dBsm)。

    三、影响RCS的要素

    雷达散射截面既与目标的形状、尺寸、结构及材料有关,也与入射电磁波的频率、极化方式和入射角等有关。

    》》无人机上的电磁散射源基本类型包括镜面反射、边缘绕射、尖顶绕射、爬行波绕射、行波绕射和非细长体因电磁突变引起的绕射。

    》》当电磁波垂直射入局部光滑目标表面时,在其后向方向上产生很强的散射回波,这种散射称为镜面反射,它是强散射源。

    》》当电磁波入射到目标边缘棱线时,散射回波主要来自于目标边缘对入射电磁波的绕射,它与反射不同之处在于一束入射波可以在边缘上产生无数条绕射线,是重要的散射源。

    》》对于无隐身措施的常规飞机,它的散射场包括反射和绕射场,主要是镜面反射和边缘绕射起作用。

    》》对于隐身飞机,采取多种措施,使镜面反射和边缘绕射基本消失。

    四、RCS测量

    在进行不同RCS计算之前,理解RCS预测也是很重要的,其实RCS的测量是很有挑战性和激发智力的, 就好比盖一栋房子,准确预测目标RCS毫不夸张的可以理解为打桩。另外,RCS计算需要交叉的技术和知识积累。目前比较广泛的RCS测量方法有两种:精确法和近似法。

    关于精确法和近似法,作者就不再一一赘述,感兴趣的读者请自行研究这些方法的更多细节。

    RCS测量中的定标过程,工程上经常采用对比法测量。设要求的目标的RCS真实值为σt,已知的标准体的RCS真实值为σc,又在实验中测得的目标和标准体的RCS分别为σtca,σta,(实际测得的是功率值),则可以计算目标的RCS为:

    σt(真实值)=(σc/σta)σtca

    后向散射截面常用来表示雷达观测中向后方的散射能量,或回波强度。

    》》需要注意的是:RCS是一人为假设的用于工程应用的假想面积;是描述目标在一定入射功率下后向散射功率能力的量;该量以面积单位来描述。面积越大,后向散射能力越强,产生的回波功率也就越大。

    五、MATLAB仿真观察RCS与视角、频率、极化的关系

    出于直观的目的,作者使用MATLAB仿真出图并放出些许源码:

    5.1  与视角的关系(感兴趣的读者可深究)

    》》单位参数:1平方米

    》》雷达视线起始角:零

    》》散射体间距:1米

    》》雷达视角变化范围:0-180度

    RCS与视角关系示意图:

    》》fig1(散射体间距取0.25m,雷达频率取80G(任意取,80G目前的技术...))

    72610529_9

    部分实验数据:

    Columns 3554 through 3564 0.5093 0.4887 0.4685 0.4486 0.4291 0.4100 0.3913 0.3730 0.3551 0.3376 0.3205 Columns 3565 through 3575 0.3038 0.2875 0.2717 0.2562 0.2412 0.2267 0.2125 0.1988 0.1855 0.1727 0.1603 Columns 3576 through 3586 0.1483 0.1368 0.1258 0.1152 0.1051 0.0954 0.0861 0.0774 0.0691 0.0612 0.0539 Columns 3587 through 3597 0.0469 0.0405 0.0345 0.0291 0.0240 0.0195 0.0154 0.0118 0.0087 0.0061 0.0039 Columns 3598 through 3601 0.0022 0.0010 0.0003 0.0001

    》》fig2(散射体间距同上,雷达频率降到8G)

    72610529_10

    部分实验数据:

    Columns 3532 through 3542 0.1133 0.1101 0.1069 0.1037 0.1007 0.0976 0.0946 0.0917 0.0887 0.0859 0.0831 Columns 3543 through 3553 0.0803 0.0776 0.0749 0.0723 0.0697 0.0671 0.0646 0.0622 0.0598 0.0574 0.0551 Columns 3554 through 3564 0.0529 0.0507 0.0485 0.0464 0.0443 0.0423 0.0403 0.0384 0.0365 0.0346 0.0329 Columns 3565 through 3575 0.0311 0.0294 0.0278 0.0262 0.0246 0.0231 0.0216 0.0202 0.0189 0.0176 0.0163 Columns 3576 through 3586 0.0151 0.0139 0.0128 0.0117 0.0107 0.0097 0.0087 0.0079 0.0070 0.0062 0.0055 Columns 3587 through 3597 0.0048 0.0041 0.0035 0.0030 0.0025 0.0020 0.0016 0.0013 0.0010 0.0007 0.0005 Columns 3598 through 3601 0.0003 0.0002 0.0001 0.0001

    5.2 MATLAB程序(解释)

    eps = 0.00001;%这个值得作用在我的上一篇博客中有过详细介绍,这里就不重复了% Enter scatterer spacing, in meters%以米为单位%scat_spacing = 1.0;%间距初定1m,读者可根据自己需要修改% Enter frequency%输入频率%freq = 3.0e+9;%频率30Gwavelength = 3.0e+8 / freq;%波长公式哈,看不懂我也没办法了% Compute aspect angle vector%计算视角矢量aspect_degrees = 0.:.05:180.;%范围180,步进0.05aspect_radians = (pi/180) .* aspect_degrees;%大家想一想,这个就是度与弧度换算% Compute electrical scatterer spacing vector in wavelength unitselec_spacing = (2.0 * scat_spacing / wavelength) .* cos(aspect_radians);% Compute RCS (rcs = RCS_scat1 + RCS_scat2)% Scat1 is taken as phase refernce pointrcs = abs(1.0 + cos((2.0 * pi) .* elec_spacing) ... + i * sin((2.0 * pi) .* elec_spacing));rcs = rcs + eps;rcs = 20.0*log10(rcs); % 表示形式in dbsm% Plot RCS versus aspect angle%开始画图plot(aspect_degrees,rcs);%注意参数哦,估计好多人直接复制就用,对于这种伸手党,我就是..哎..grid;%网格xlabel('视角/');%学过MATLAB都知道ylabel('RCS/dBsm');%同上%title(' Frequency is 3GHz; scatterrer spacing is 1.0m');

    5.3 与频率,与极化

    大同小异,和5.2差不多,还是给大家留个悬念吧,很多程序其实网上都有,就看你愿不愿意去弄懂它。

    72610529_11转载请注明来源,么么哒!原创声明:本文为-Sure-原创作品,转载时请注明“转自-Sure-”及原文链接。

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  • 一、RCS定义任何具有确定极化的电磁照射到目标上时,都会产生各个方向上的折射或散射。其中散射分为两部分:一是由与接收天线具有相同极化的散射组成;二是散射具有不同的变化,接收天线没有响应。这两...

    一 、RCS定义

    任何具有确定极化的电磁波照射到目标上时,都会产生各个方向上的折射或散射。

    其中散射波分为两部分:一是由与接收天线具有相同极化的散射波组成;二是散射波具有不同的变化,接收天线没有响应。这两种极化正交,分别称为主极化(Principle

    Polarization,PP)和垂直极化(Orthogonal Polarization,OP)。与雷达照射天线具有相同极化波的后向散射能量的强度用来定义目标RCS。

    用通俗的话讲:PCS是度量目标在雷达波照射下所产生回波强度的一种物理量。它是目标的假想面积,用一个各向均匀的等效反射器的投影面积来表示,该等效反射器与被定义的目标在接收方向单位立体角内具有相同的回波功率。一般用符号σ表示目标的雷达散射截面。

    b365655acaa09d2a0dcdd25be0b35bfe.png

    用σ 表示雷达目标截面积, 可写为 :

    infodetail-1543645.html

    b0518bcdc327f2721c9f6bb2de28e789.png

    这是雷达目标截面积的实验定义式。σ 是雷达基本方程中的一个因子。已知发射功率Pt,发射和接收天线增益G,波长λ,目标到雷达的距离R,则雷达接收天线截获的功率为:

    infodetail-1543645.html     

    03cfd5d96d45fb96639a074797263c64.png

    定义接收天线出的散射波的功率密度为

    infodetail-1543645.html,那么:

    0977101b72906ed723d25d23a37a66e2.png

    根据功率密度公式和天线截获功率,可以推出:

    7c46c16ed15aeedff78b0ec3ffe53c7d.pnginfodetail-1543645.html

    为了保证雷达接收天线在远场(也就是天线接收的散射波为平面波),修正上式为:

    4c962b8f635bb26602a49b2f8de01edb.png

    此式简称为单基地RCS、后向散射RCS或简单目标RCS。

    ——式中Pr等于Ei对应的功率,Ei表示雷达在目标处的照射场强;

    ——

    infodetail-1543645.html等于Er对应的功率,Er表示 目标在接收天线处的散射场强。

    因为雷达发射球面波,只有在满足远场条件(概略地说即当目标距离足够远时)目标在接收天线处的散射波才近似地表示为平面波。

    》》雷达目标截面积的这一定义与距离无关。

    一个具体目标的雷达截面积与目标本身的几何尺寸和形状、材料、目标视角、雷达工作频率及雷达发射和接收天线的极化有关。

    当其他条件不变时,目标尺寸越大,雷达截面积也越大。对于一定的雷达频率和固定的视角,目标的雷达截面积决定于极化。

    在远场和线性散射条件下,雷达目标截面积与极化的关系可表示为矩阵,称为雷达目标的散射矩阵。

    二、部分复杂目标RCS

    自然界中有很多实际目标,这些目标远比一般情况下的目标结构要复杂得多。这是因为它们包含多种散射体,表面外形和介电系数极其复杂。比如:昆虫、鸟类、飞机、舰船等。

    人类的RCS如下图:

    infodetail-1543645.html                                                      

    d9eb43d8b047325a214ec730677607ad.png

    特定频率f=9.4Ghz下不同昆虫RCS如下图:

    infodetail-1543645.html                                        

    c0742eaf17bd5a9aba2b7fa0de7fff82.png

    反映雷达散射截面外通用的方法是用雷达散射截面的对数值的十倍来表示,符号是σdBsm,单位是分贝平方米(dBsm),

    即σdBsm=10lgσ。

    例如,RCS值0.1平方米对应的是-10分贝平方米(即-10dBsm)。

    三、影响RCS的要素

    雷达散射截面既与目标的形状、尺寸、结构及材料有关,也与入射电磁波的频率、极化方式和入射角等有关。

    》》无人机上的电磁散射源基本类型包括镜面反射、边缘绕射、尖顶绕射、爬行波绕射、行波绕射和非细长体因电磁突变引起的绕射。

    》》当电磁波垂直射入局部光滑目标表面时,在其后向方向上产生很强的散射回波,这种散射称为镜面反射,它是强散射源。

    》》当电磁波入射到目标边缘棱线时,散射回波主要来自于目标边缘对入射电磁波的绕射,它与反射不同之处在于一束入射波可以在边缘上产生无数条绕射线,是重要的散射源。

    》》对于无隐身措施的常规飞机,它的散射场包括反射和绕射场,主要是镜面反射和边缘绕射起作用。

    》》对于隐身飞机,采取多种措施,使镜面反射和边缘绕射基本消失。

    四、RCS测量

    在进行不同RCS计算之前,理解RCS预测也是很重要的,其实RCS的测量是很有挑战性和激发智力的, 就好比盖一栋房子,准确预测目标RCS毫不夸张的可以理解为打桩。另外,RCS计算需要交叉的技术和知识积累。目前比较广泛的RCS测量方法有两种:精确法和近似法。

    关于精确法和近似法,作者就不再一一赘述,感兴趣的读者请自行研究这些方法的更多细节。

    RCS测量中的定标过程,工程上经常采用对比法测量。设要求的目标的RCS真实值为σt,已知的标准体的RCS真实值为σc,又在实验中测得的目标和标准体的RCS分别为σtca,σta,(实际测得的是功率值),则可以计算目标的RCS为:

    σt(真实值)=(σc/σta)σtca

    后向散射截面常用来表示雷达观测中向后方的散射能量,或回波强度。

    》》需要注意的是:RCS是一人为假设的用于工程应用的假想面积;是描述目标在一定入射功率下后向散射功率能力的量;该量以面积单位来描述。面积越大,后向散射能力越强,产生的回波功率也就越大。

    五、MATLAB仿真观察RCS与视角、频率、极化的关系

    出于直观的目的,作者使用MATLAB仿真出图并放出些许源码:

    5.1  与视角的关系(感兴趣的读者可深究)

    》》单位参数:1平方米

    》》雷达视线起始角:零

    》》散射体间距:1米

    》》雷达视角变化范围:0-180度

    RCS与视角关系示意图:

    》》fig1(散射体间距取0.25m,雷达频率取80G(任意取,80G目前的技术...))

    44150e30f683689e06e7e6a6d9450c10.png

    部分实验数据:

    Columns 3554 through 3564

    0.5093 0.4887 0.4685 0.4486 0.4291 0.4100 0.3913 0.3730 0.3551 0.3376 0.3205

    Columns 3565 through 3575

    0.3038 0.2875 0.2717 0.2562 0.2412 0.2267 0.2125 0.1988 0.1855 0.1727 0.1603

    Columns 3576 through 3586

    0.1483 0.1368 0.1258 0.1152 0.1051 0.0954 0.0861 0.0774 0.0691 0.0612 0.0539

    Columns 3587 through 3597

    0.0469 0.0405 0.0345 0.0291 0.0240 0.0195 0.0154 0.0118 0.0087 0.0061 0.0039

    Columns 3598 through 3601

    0.0022 0.0010 0.0003 0.0001

    》》fig2(散射体间距同上,雷达频率降到8G)

    607e490dc1b7ed9e36244a3b1e3bc16a.bmp

    部分实验数据:

    Columns 3532 through 3542

    0.1133 0.1101 0.1069 0.1037 0.1007 0.0976 0.0946 0.0917 0.0887 0.0859 0.0831

    Columns 3543 through 3553

    0.0803 0.0776 0.0749 0.0723 0.0697 0.0671 0.0646 0.0622 0.0598 0.0574 0.0551

    Columns 3554 through 3564

    0.0529 0.0507 0.0485 0.0464 0.0443 0.0423 0.0403 0.0384 0.0365 0.0346 0.0329

    Columns 3565 through 3575

    0.0311 0.0294 0.0278 0.0262 0.0246 0.0231 0.0216 0.0202 0.0189 0.0176 0.0163

    Columns 3576 through 3586

    0.0151 0.0139 0.0128 0.0117 0.0107 0.0097 0.0087 0.0079 0.0070 0.0062 0.0055

    Columns 3587 through 3597

    0.0048 0.0041 0.0035 0.0030 0.0025 0.0020 0.0016 0.0013 0.0010 0.0007 0.0005

    Columns 3598 through 3601

    0.0003 0.0002 0.0001 0.0001

    5.2 MATLAB程序(解释)

    eps = 0.00001;%这个值得作用在我的上一篇博客中有过详细介绍,这里就不重复了

    % Enter scatterer spacing, in meters%以米为单位

    %scat_spacing = 1.0;%间距初定1m,读者可根据自己需要修改

    % Enter frequency%输入频率

    %freq = 3.0e+9;%频率30G

    wavelength = 3.0e+8 / freq;%波长公式哈,看不懂我也没办法了

    % Compute aspect angle vector%计算视角矢量

    aspect_degrees = 0.:.05:180.;%范围180,步进0.05

    aspect_radians = (pi/180) .* aspect_degrees;%大家想一想,这个就是度与弧度换算

    % Compute electrical scatterer spacing vector in wavelength units

    elec_spacing = (2.0 * scat_spacing / wavelength) .* cos(aspect_radians);

    % Compute RCS (rcs = RCS_scat1 + RCS_scat2)

    % Scat1 is taken as phase refernce point

    rcs = abs(1.0 + cos((2.0 * pi) .* elec_spacing) ...

    + i * sin((2.0 * pi) .* elec_spacing));

    rcs = rcs + eps;

    rcs = 20.0*log10(rcs); % 表示形式in dbsm

    % Plot RCS versus aspect angle%开始画图

    plot(aspect_degrees,rcs);%注意参数哦,估计好多人直接复制就用,对于这种伸手党,我就是..哎..

    grid;%网格

    xlabel('视角/');%学过MATLAB都知道

    ylabel('RCS/dBsm');%同上

    %title(' Frequency is 3GHz; scatterrer spacing is 1.0m');

    5.3 与频率,与极化

    大同小异,和5.2差不多,还是给大家留个悬念吧,很多程序其实网上都有,就看你愿不愿意去弄懂它。

    d31ba0da6cebde23825c8600fbad443c.gif转载请注明来源,么么哒!原创声明:本文为-Sure-原创作品,转载时请注明“转自-Sure-”及原文链接。

    

    原文:http://blog.csdn.net/u013346007/article/details/51320118

    展开全文
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  • 一、RCS定义任何具有确定极化的电磁照射到目标上时,都会产生各个方向上的折射或散射。其中散射分为两部分:一是由与接收天线具有相同极化的散射组成;二是散射具有不同的变化,接收天线没有响应。这两...

    一 、RCS定义

    任何具有确定极化的电磁波照射到目标上时,都会产生各个方向上的折射或散射。

    其中散射波分为两部分:一是由与接收天线具有相同极化的散射波组成;二是散射波具有不同的变化,接收天线没有响应。这两种极化正交,分别称为主极化(Principle Polarization,PP)和垂直极化(Orthogonal Polarization,OP)。与雷达照射天线具有相同极化波的后向散射能量的强度用来定义目标RCS。

    用通俗的话讲:PCS是度量目标在雷达波照射下所产生回波强度的一种物理量。它是目标的假想面积,用一个各向均匀的等效反射器的投影面积来表示,该等效反射器与被定义的目标在接收方向单位立体角内具有相同的回波功率。一般用符号σ表示目标的雷达散射截面。

    0818b9ca8b590ca3270a3433284dd417.png

    用σ 表示雷达目标截面积, 可写为 :

    0818b9ca8b590ca3270a3433284dd417.png

    0818b9ca8b590ca3270a3433284dd417.png

    这是雷达目标截面积的实验定义式。σ 是雷达基本方程中的一个因子。已知发射功率Pt,发射和接收天线增益G,波长λ,目标到雷达的距离R,则雷达接收天线截获的功率为:

    0818b9ca8b590ca3270a3433284dd417.png     

    0818b9ca8b590ca3270a3433284dd417.png

    定义接收天线出的散射波的功率密度为

    0818b9ca8b590ca3270a3433284dd417.png,那么:

    0818b9ca8b590ca3270a3433284dd417.png

    根据功率密度公式和天线截获功率,可以推出:

    0818b9ca8b590ca3270a3433284dd417.png0818b9ca8b590ca3270a3433284dd417.png

    为了保证雷达接收天线在远场(也就是天线接收的散射波为平面波),修正上式为:

    0818b9ca8b590ca3270a3433284dd417.png

    此式简称为单基地RCS、后向散射RCS或简单目标RCS。

    ——式中Pr等于Ei对应的功率,Ei表示雷达在目标处的照射场强;

    ——

    0818b9ca8b590ca3270a3433284dd417.png等于Er对应的功率,Er表示 目标在接收天线处的散射场强。

    因为雷达发射球面波,只有在满足远场条件(概略地说即当目标距离足够远时)目标在接收天线处的散射波才近似地表示为平面波。

    》》雷达目标截面积的这一定义与距离无关。

    一个具体目标的雷达截面积与目标本身的几何尺寸和形状、材料、目标视角、雷达工作频率及雷达发射和接收天线的极化有关。

    当其他条件不变时,目标尺寸越大,雷达截面积也越大。对于一定的雷达频率和固定的视角,目标的雷达截面积决定于极化。

    在远场和线性散射条件下,雷达目标截面积与极化的关系可表示为矩阵,称为雷达目标的散射矩阵。

    二、部分复杂目标RCS

    自然界中有很多实际目标,这些目标远比一般情况下的目标结构要复杂得多。这是因为它们包含多种散射体,表面外形和介电系数极其复杂。比如:昆虫、鸟类、飞机、舰船等。

    人类的RCS如下图:

    0818b9ca8b590ca3270a3433284dd417.png                                                      

    0818b9ca8b590ca3270a3433284dd417.png

    特定频率f=9.4Ghz下不同昆虫RCS如下图:

    0818b9ca8b590ca3270a3433284dd417.png                                        

    0818b9ca8b590ca3270a3433284dd417.png

    反映雷达散射截面外通用的方法是用雷达散射截面的对数值的十倍来表示,符号是σdBsm,单位是分贝平方米(dBsm),

    即σdBsm=10lgσ。

    例如,RCS值0.1平方米对应的是-10分贝平方米(即-10dBsm)。

    三、影响RCS的要素

    雷达散射截面既与目标的形状、尺寸、结构及材料有关,也与入射电磁波的频率、极化方式和入射角等有关。

    》》无人机上的电磁散射源基本类型包括镜面反射、边缘绕射、尖顶绕射、爬行波绕射、行波绕射和非细长体因电磁突变引起的绕射。

    》》当电磁波垂直射入局部光滑目标表面时,在其后向方向上产生很强的散射回波,这种散射称为镜面反射,它是强散射源。

    》》当电磁波入射到目标边缘棱线时,散射回波主要来自于目标边缘对入射电磁波的绕射,它与反射不同之处在于一束入射波可以在边缘上产生无数条绕射线,是重要的散射源。

    》》对于无隐身措施的常规飞机,它的散射场包括反射和绕射场,主要是镜面反射和边缘绕射起作用。

    》》对于隐身飞机,采取多种措施,使镜面反射和边缘绕射基本消失。

    四、RCS测量

    在进行不同RCS计算之前,理解RCS预测也是很重要的,其实RCS的测量是很有挑战性和激发智力的, 就好比盖一栋房子,准确预测目标RCS毫不夸张的可以理解为打桩。另外,RCS计算需要交叉的技术和知识积累。目前比较广泛的RCS测量方法有两种:精确法和近似法。

    关于精确法和近似法,作者就不再一一赘述,感兴趣的读者请自行研究这些方法的更多细节。

    RCS测量中的定标过程,工程上经常采用对比法测量。设要求的目标的RCS真实值为σt,已知的标准体的RCS真实值为σc,又在实验中测得的目标和标准体的RCS分别为σtca,σta,(实际测得的是功率值),则可以计算目标的RCS为:

    σt(真实值)=(σc/σta)σtca

    后向散射截面常用来表示雷达观测中向后方的散射能量,或回波强度。

    》》需要注意的是:RCS是一人为假设的用于工程应用的假想面积;是描述目标在一定入射功率下后向散射功率能力的量;该量以面积单位来描述。面积越大,后向散射能力越强,产生的回波功率也就越大。

    五、MATLAB仿真观察RCS与视角、频率、极化的关系

    出于直观的目的,作者使用MATLAB仿真出图并放出些许源码:

    5.1  与视角的关系(感兴趣的读者可深究)

    》》单位参数:1平方米

    》》雷达视线起始角:零

    》》散射体间距:1米

    》》雷达视角变化范围:0-180度

    RCS与视角关系示意图:

    》》fig1(散射体间距取0.25m,雷达频率取80G(任意取,80G目前的技术...))

    0818b9ca8b590ca3270a3433284dd417.png

    部分实验数据:

    Columns 3554 through 3564

    0.5093 0.4887 0.4685 0.4486 0.4291 0.4100 0.3913 0.3730 0.3551 0.3376 0.3205

    Columns 3565 through 3575

    0.3038 0.2875 0.2717 0.2562 0.2412 0.2267 0.2125 0.1988 0.1855 0.1727 0.1603

    Columns 3576 through 3586

    0.1483 0.1368 0.1258 0.1152 0.1051 0.0954 0.0861 0.0774 0.0691 0.0612 0.0539

    Columns 3587 through 3597

    0.0469 0.0405 0.0345 0.0291 0.0240 0.0195 0.0154 0.0118 0.0087 0.0061 0.0039

    Columns 3598 through 3601

    0.0022 0.0010 0.0003 0.0001

    》》fig2(散射体间距同上,雷达频率降到8G)

    0818b9ca8b590ca3270a3433284dd417.png

    部分实验数据:

    Columns 3532 through 3542

    0.1133 0.1101 0.1069 0.1037 0.1007 0.0976 0.0946 0.0917 0.0887 0.0859 0.0831

    Columns 3543 through 3553

    0.0803 0.0776 0.0749 0.0723 0.0697 0.0671 0.0646 0.0622 0.0598 0.0574 0.0551

    Columns 3554 through 3564

    0.0529 0.0507 0.0485 0.0464 0.0443 0.0423 0.0403 0.0384 0.0365 0.0346 0.0329

    Columns 3565 through 3575

    0.0311 0.0294 0.0278 0.0262 0.0246 0.0231 0.0216 0.0202 0.0189 0.0176 0.0163

    Columns 3576 through 3586

    0.0151 0.0139 0.0128 0.0117 0.0107 0.0097 0.0087 0.0079 0.0070 0.0062 0.0055

    Columns 3587 through 3597

    0.0048 0.0041 0.0035 0.0030 0.0025 0.0020 0.0016 0.0013 0.0010 0.0007 0.0005

    Columns 3598 through 3601

    0.0003 0.0002 0.0001 0.0001

    5.2 MATLAB程序(解释)

    eps = 0.00001;%这个值得作用在我的上一篇博客中有过详细介绍,这里就不重复了

    % Enter scatterer spacing, in meters%以米为单位

    %scat_spacing = 1.0;%间距初定1m,读者可根据自己需要修改

    % Enter frequency%输入频率

    %freq = 3.0e+9;%频率30G

    wavelength = 3.0e+8 / freq;%波长公式哈,看不懂我也没办法了

    % Compute aspect angle vector%计算视角矢量

    aspect_degrees = 0.:.05:180.;%范围180,步进0.05

    aspect_radians = (pi/180) .* aspect_degrees;%大家想一想,这个就是度与弧度换算

    % Compute electrical scatterer spacing vector in wavelength units

    elec_spacing = (2.0 * scat_spacing / wavelength) .* cos(aspect_radians);

    % Compute RCS (rcs = RCS_scat1 + RCS_scat2)

    % Scat1 is taken as phase refernce point

    rcs = abs(1.0 + cos((2.0 * pi) .* elec_spacing) ...

    + i * sin((2.0 * pi) .* elec_spacing));

    rcs = rcs + eps;

    rcs = 20.0*log10(rcs); % 表示形式in dbsm

    % Plot RCS versus aspect angle%开始画图

    plot(aspect_degrees,rcs);%注意参数哦,估计好多人直接复制就用,对于这种伸手党,我就是..哎..

    grid;%网格

    xlabel('视角/');%学过MATLAB都知道

    ylabel('RCS/dBsm');%同上

    %title(' Frequency is 3GHz; scatterrer spacing is 1.0m');

    5.3 与频率,与极化

    大同小异,和5.2差不多,还是给大家留个悬念吧,很多程序其实网上都有,就看你愿不愿意去弄懂它。

    0818b9ca8b590ca3270a3433284dd417.png转载请注明来源,么么哒!原创声明:本文为-Sure-原创作品,转载时请注明“转自-Sure-”及原文链接。

    

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  • 带缝金属球锥体单站RCS 一、模型描述 1.1模型描述: 图1a:带缝隙球锥体-全模型示意图 1.2计算方法描述: 工作频率3GHz时,分别采用MoM+电对称和MLFMM方法 由于采用多层快速多极子方法,满足金属封闭体,...

    带缝金属球锥体单站RCS

    一、模型描述

    1.1模型描述:

     

    图1a:带缝隙球锥体-全模型示意图

    1.2计算方法描述:

    工作频率3GHz时,分别采用MoM+电对称和MLFMM方法

    由于采用多层快速多极子方法,满足金属封闭体,所以可以采用CFIE方法。

    水平极化状态下,分别采用MoM+磁对称与高阶矩量法;

    1.3 计算项目:

    计算该金属目标体的单站RCS;

    垂直极化(VV)与水平极化(HH)

     

    图1b:极化方式-水平极化HH(左图)与垂直极化VV(右图)

    二、主要流程:

    启动CadFEKO,新建一个工程:cone_sphere_gap_vv_3GHz_mom.cfx,在以下的各个操作过程中,可以即时保存做过的任何修正。

    2.1:定义变量:

    在CadFEKO中左侧的树型浏览器中双击“Variables”节点,依次定义如下变量:

    工作频率:freq=3e9

    长度缩放系数:in2m =0.0254

    工作波长:lam0 = c0/freq

    圆锥体长度:cone_length=23.821*in2m

    缝隙长度:gap_length=0.25*in2m

    缝隙半径:gap_radius=2.697*in2m

    球体部分半径:sphere_radius=2.947*in2m

    网格剖分尺寸:mesh=lam0/10

     

    图2:变量定义

    2.2:定义相对工作坐标系

    在树型浏览器中,双击“Workplanes”节点,或直接按键盘的F9键,弹出“Create workplane”对话框:

    修改U vector为:(X:0.0;Y:0.0;Z:-1)

    Label:workplane1

    点击“Create”。

     

    图3:定义工作平面workplane1

    在左侧树型浏览器中,展开“Workplanes”节点,可以看到已经定义的“workplane1”,选中“WOrkplane1”点击鼠标右键,点击“Set as default”。

     

    图4:设定workplane1为默认工作坐标系

    2.3:模型建立:

    模型建立:点击菜单“Construct”,选择“Cone ”,弹出“Create Cone”对话框:

    在“Geometry”标签:

    Base Centre(B):U:0.0, V: 0.0, N: 0.0

    Base radius (Rb): sphere_radius

    Height(H):-cone_length

    Top radius(Rt):0

    Label:Cone1

    点击“Create”

     

    图5:定义圆锥体部分

    点击菜单“Construct”,选择“Cylinder ”,弹出“Create Cylinder”对话框:

    在“Geometry”标签:

    Base Centre(B):U:0.0, V: 0.0, N: 0.0

    Radius(R): gap_radius

    Height(H): gap_length

    Label: Cyliner1

    点击“Create”

     

     

    图6:定义圆柱体部分

    点击菜单“Construct”,选择“Sphere ”,弹出“Create Sphere”对话框:

    在“Geometry”标签:

    Base Centre(B):U:0.0, V: 0.0, N: gap_length

    Radius(R): sphere_radius

    Label: Sphere1

    点击“Create”

     

     

    图7:定义球体部分

    在左侧树型浏览器的“Geometry”节点中,选中新建的“Sphere1”体模型,点击鼠标右键,选择“Apply->Split”,弹出“Split”对话框:

    修正Origin:(U:0.0; V:0.0; N: gap_length)

    Plane:UV

    点击按钮“Create”;

    模型“Sphere1”被分割成了两部分为“Split_back1”和“Split_front1”

    选中“Split_back1”(确认删除的为与圆锥和圆柱重叠的部分),点击键盘的“Del”键,删除该模型;

    选中“Split_front1”,点击键盘的功能键F2,把该模型更名为“Sphere1”;

     

    图8:切割球体

    在左侧树型浏览器中,展开“Geometry”节点,选中新生成的所有模型“Cone1”,“Cylinder1”,“Sphere1”,点击鼠标右键,选择“Apply->Union”,把新生成的模型更名为“cone_sphere_with_gap”。

    选中该模型,点击鼠标右键,选择“Apply->Simplify”,弹出“Simplify geometry”对话框,采用默认设置,点击“Create”;(目的是为了删除球体与圆柱以及圆柱与圆锥之间的两个冗余面-因为这两个面前后的Region区域材料相同)

     

    图9:删除冗余面-Simplify

     

    2.4:设定对称:

    矩量法(MoM)支持电对称、磁对称,点击菜单“Solve/Run”中的“Symmetry”图标按钮,弹出“Symmetry definition”对话框:

    X=0 plane:No symmetry

    Y=0 plane:Geometry symmetry

    Z=0 plane:Electric symmetry (Z=0平面垂直于入射平面波电场极化方向)

    点击“OK”。

     

    图10:定义对称面-几何对称、电对称

    2.5:电参数设置:

    在左侧树型浏览器中,由“Construct”切换到“Configuration”:

    工作频率设置:展开“Global”,双击“Frequency”,弹出“Solution frequency”对话框:

    选择:Single frequency;

    Frequency (Hz): freq

    点击OK

    激励设置

    在左侧树型浏览器中,展开“Workplanes”节点,选中“Global XY”,点击鼠标右键,选择“Set as Default”。

    在“Global”中,选中“Sources”点击鼠标右键选择“Plane Wave”,弹出“Add plane Wave excitation”对话框:

    选择:Loop over multiple direction

    Start: (Theta: 90, Phi: -180.0)

    End:(Theta: 90, Phi: 0.0)

    Increment: (Theta: 0.0; Phi: 1)

    Polarisation angle(degrees): 0.0

    Polarisation: Linear

    Label: PlaneWave1

    点击 “Create”按钮

     

    图11:定义入射平面波

    求解设置:在“Configuration specific”中,选中“Requests”点击鼠标右键选择“Far fields”,弹出“Request far fields”对话框:

    修正选择:Calculate fields in plane wave incident direction

    Label:ff_scattering

    点击“Create”。

     

    图12:远场方向图求解设置

    2.6:网格划分:

    点击菜单“Mesh->Create mesh”弹出“Create mesh”对话框,设置如下:

    网格剖分方法Mesh size : Custom

    三角形单元尺寸:Triangles edge length: mesh

    点击:Mesh 按钮生成网格。

     

    图13:定义网格划分

    2.7:提交计算:

    进入菜单“Solve/Run”,点击“FEKO Solver”,提交计算。可以选择并行模式(有指导老师演示如何设置并行)。

    2.8:后处理显示结果:

    计算完成之后,点击“Solve/Run”菜单中的“PostFEKO”,启动后处理模块PostFEKO显示结果。

    显示3D结果:

    在“Home”菜单中,点击“Far field->ff_scattering”,在右侧控制面板中,勾选:dB;

     

     

    图14:3D 单站RCS显示

    显示2D结果:

    在“Home”菜单,点击“Cartesian”,进入直角坐标系,点击“Far field->ff_scattering”,会在直角坐标系中直接显示theta=0度极化平面上的2D单站RCS,在右侧控制面板中:

    可以看到并修改为:

    勾选:dB

     

    图15:垂直极化单站RCS

    进入“Home”菜单,点击“Save project”,保存计算结果文件为:“cone_sphere_gap_vv_3GHz_mom.pfs”。不要关闭Postfeko。

    2.9:其他方法1(MLFMM+EFIE法):

    在CadFEKO中,点击起始菜单的“Save as”按钮,另存为“cone_sphere_gap_vv_3GHz_MLFMM.cfx”.

    2.9.1求解方法设置:

    由于MLFMM方法不支持电对称、磁对称,所以原来设定的电对称不起作用。

    点击菜单:“Solve/Run”中的“Solver settings”,弹出“Solver Settings”对话框:

    进入“MLFMM/ACA”标签

    勾选:Solve model with the multilevel fast multipole method (MLFMM)

    点击“OK”按钮。

     

    图16:设置计算方法-MLFMM

    2.9.2提交计算:

    点击菜单“Solve/Run”,提交计算。

    2.10:其他方法2(MLFMM+CFIE法):

    在CadFEKO中,点击起始菜单的“Save as”按钮,把“cone_sphere_gap_vv_3GHz_MLFMM.cfx”另存为“cone_sphere_gap_vv_3GHz_MLFMM_CFIE.cfx”。

    2.10.1:设定CFIE

    混合积分方程法(CFIE)适用于封闭的金属体,内部填充Free Space,且所有面元的法向朝外。

    首先,检查所有面元的法向是否正确?点击菜单“Display options”中的“Colour”图标按钮中“Element normal”(即:按照法向显示面元的颜色,注意,在默认情况下,是按照面元的材料属性来显示颜色),通过颜色来查看哪些面元的法向不对,在下图中,在3D视图中,选中红色的面元,点击鼠标右键,选择“Reverse normals”,可以看到该面元的法向朝外了,即显示绿色。

     

    图17:修改面元法向

    在左侧树型浏览器中,切换到“Contruct”标签,展开“Geometry”节点,选中模型“cone_sphere_gap”,在左下角树型浏览器中,展开“Faces”节点,选择所有的面元,点击鼠标右键,选择“Properties”,弹出“Face Properties”对话框:

    进入“Solution”标签:

    修正“Integral equation”为:Combined field

    点击“OK”。

     

    图18:修改面元积分方程方法

    在左下角树型浏览器“Details”中,展开“Regions”节点,选择所有的Region?[PEC],点击鼠标右键,选择“Properties”,弹出“Regions Properties”对话框:

    在“Properties”标签:

    修正Medium为:Free space

    点击 OK

     

    图19:修改球锥体内部材料为FreeSpace

     

    2.10.2提交计算:

    点击菜单“Solve/Run”,提交计算。

    2.10.3后处理结果显示:

    切换到已经打开的后处理界面,进入“Add model”图标按钮,同时读入“cone_sphere_gap_vv_3GHz_MLFMM.bof”和“cone_sphere_gap_vv_3GHz_MLFMM_CFIE.bof”;

    在“Home”菜单中,点击“Far field”中新导入两个工程结果文件中的“ff_scattering”,在右侧面板中,修改设置如下:

    同时选择所有的“Traces”

    勾选:dB

     

    图20 2D结果显示:MoM+Symmetry vs. MLFMM+EFIE vs. MLFMM+CFIE

    保存并关闭postfeko。

    2.11:其他计算3(水平极化):

    切回到CadFEKO,点击“Home”菜单中的“New”,新建一个工程为:cone_sphere_gap_hh_3GHz_mom.cfx,在以下的各个操作过程中,可以即时保存做过的任何修正。

    2.11.1:定义变量

    在CadFEKO中左侧的树型浏览器中双击“Variables”节点,依次定义如下变量:

    工作频率:freq=3e9

    长度缩放系数:in2m =0.0254

    工作波长:lam0 = c0/freq

    圆锥体长度:cone_length=23.821*in2m

    缝隙长度:gap_length=0.25*in2m

    缝隙半径:gap_radius=2.697*in2m

    球体部分半径:sphere_radius=2.947*in2m

    网格剖分尺寸:mesh=lam0/10

     

    图21:变量定义

    2.11.2:创建模型

    创建的线(弧线、折线、直线等)的起点和终点会影响扫略出来的面的法向方向。

    创建sphere_path:在“Construct”菜单中,点击“Create elliptic arc ”,弹出“Create elliptic arc”对话框:

    Centre point(C): (U: gap_length; V: 0.0; N: 0.0)

    Radius(Ru): sphere_radius

    Radius(Rv): sphere_radius

    Start angle (A0): 0.0

    End angle (A1): 90

    Label: sphere_path

    点击“Create”

     

    图22:创建球体母线sphere_path

    创建gap_path:在“Construct”菜单中,点击“Create Polyline ”,弹出“Create polyline”对话框:

    Corner1: (U: gap_length; V: sphere_radius; N: 0.0)

    Corner2: (U: gap_length; V: gap_radius; N: 0.0)

    点击“Add”按钮

    Corner3: (U: 0.0; V: gap_radius; N: 0.0)

    点击“Add”按钮

    Corner4: (U: 0.0; V: sphere_radius; N: 0.0)

    Label: sphere_path

    点击“Create”

     

    图23:创建缝隙体母线gap_path

    创建cone_path:在“Construct”菜单中,点击“Create line ”,弹出“Create line”对话框:

    Start Point: (U: 0.0; V: sphere_radius; N: 0.0)

    End Point: (U: -cone_length; V: 0.0; N: 0.0)

    Label: cone_path

    点击“Create”

     

    图24:创建圆锥体母线cone_path

    在左侧树型浏览器中,展开“Geometry”节点,同时选中所有创建的线模型,点击鼠标右键,选择“Apply->Union”,把新生成的模型更名为“base_path”;

    选中“base_path”,点击鼠标右键,选择“Apply->Spin”,弹出“Spin geometry”对话框:

    Origin:(U:0.0; V:0.0; N:0.0)

    Axis direction: (U: 1.0; V:0.0; N: 0.0)

    Rotation Angle [degrees]:360

    点击“Create”

    把新生成的模型更名为“cone_sphere_gap”;

    选中新生成的模型“cone_sphere_gap”,点击鼠标右键,选择“Apply->Simplify”,弹出“Simplify geometry”对话框,确认选项勾选“Remove edges on metal surfaces”,点击“Create”,即可删除母线,参考图26操作;

     

    图25:母线绕X轴旋转成体-Spin

     

    图26:模型简化(删除母线)

    2.11.3:设定对称:

    点击菜单“Solve/Run”中的“Symmetry”图标按钮,弹出“Symmetry definition”对话框:

    X=0 plane:No symmetry

    Y=0 plane:Geometry symmetry

    Z=0 plane:Magnetic symmetry (Z=0平面平行于入射平面波电场极化方向)

    点击“OK”。

     

    图27:定义对称面-几何对称(Y=0平面)、磁对称(z=0平面)

    2.11.4:电参数设置:

    在左侧树型浏览器中,由“Construct”切换到“Configuration”:

    工作频率设置:展开“Global”,双击“Frequency”,弹出“Solution frequency”对话框:

    选择:Single frequency;

    Frequency (Hz): freq

    点击OK

    激励设置

    在“Global”中,选中“Sources”点击鼠标右键选择“Plane Wave”,弹出“Add plane Wave excitation”对话框:

    选择:Loop over multiple direction

    Start: (Theta: 90, Phi: -180.0)

    End:(Theta: 90, Phi: 0.0)

    Increment: (Theta: 0.0; Phi: 1)

    Polarisation angle(degrees): 90.0

    Polarisation: Linear

    Label: PlaneWave1

    点击 “Create”按钮

     

    图28:定义入射平面波-水平极化

    求解设置:在“Configuration specific”中,选中“Requests”点击鼠标右键选择“Far fields”,弹出“Request far fields”对话框:

    修正选择:Calculate fields in plane wave incident direction

    Label:ff_scattering

    点击“Create”。

     

    图29:远场方向图求解设置

    2.11.5:网格划分:

    点击菜单“Mesh->Create mesh”弹出“Create mesh”对话框,设置如下:

    网格剖分方法Mesh size : Custom

    三角形单元尺寸:Triangles edge length: mesh

    点击:Mesh 按钮生成网格。

     

    图30:定义网格划分

    2.11.6:提交计算:

    进入菜单“Solve/Run”,点击“FEKO Solver”,提交计算。可以选择并行模式(有指导老师演示如何设置并行)。

    2.11.7:后处理显示结果:

    计算完成之后,点击“Solve/Run”菜单中的“PostFEKO”,启动后处理模块PostFEKO显示结果。

    显示3D结果:

    在“Home”菜单中,点击“Far field->ff_scattering”,在右侧控制面板中,勾选:dB;

     

     

    图31:3D 单站RCS显示

    显示2D结果:

    在“Home”菜单,点击“Cartesian”,进入直角坐标系,点击“Far field->ff_scattering”,会在直角坐标系中直接显示theta=0度极化平面上的2D单站RCS,在右侧控制面板中:

    可以看到并修改为:

    勾选:dB

     

    图32:垂直极化单站RCS

    进入“Home”菜单,点击“Save project”,保存计算结果文件为:“cone_sphere_gap_hh_3GHz_mom.pfs”。不要关闭Postfeko。

    2.12:其他方法1(高阶矩量法):

    在CadFEKO中,点击起始菜单的“Save as”按钮,把“cone_sphere_gap_hh_3GHz_mom.cfx”另存为“cone_sphere_gap_hh_3GHz_hobf_mom.cfx”。

    2.12.1:设定高阶矩量法

    由于高阶矩量法不支持电对称、磁对称,所以原来设定的电对称不起作用。

    点击菜单:“Solve/Run”中的“Solver settings”,弹出“Solver Settings”对话框:

    在“General”标签

    勾选:Solve MoM with higher order basis functions (HOBF)

    Element order: Order=3.5

    点击“OK”按钮。

     

    图33:设置计算方法-HOBF

    2.12.2:网格划分:

    修改已经定义的变量:mesh=lam0

    点击菜单“Mesh->Create mesh”弹出“Create mesh”对话框,设置如下:

    网格剖分方法Mesh size : Custom

    三角形单元尺寸:Triangles edge length: mesh

    进入“Advanced”标签:

    调节:Refinement factor到图34右图所示位置

    调节:minimum element size到图34右图所示位置(目的是减少锥体头部的小网格数)

    点击:Mesh 按钮生成网格。

     

    图34:定义网格划分

    2.12.3提交计算:

    点击菜单“Solve/Run”,提交计算。

    2.12.4后处理结果显示:

    切换到已经打开的后处理界面,进入“Add model”图标按钮,读入“cone_sphere_gap_hh_3GHz_hobf_mom.bof”;

    在“Home”菜单中,点击“Far field”中新导入两个工程结果文件中的“ff_scattering”,在右侧面板中,修改设置如下:

    同时选择所有的“Traces”

    勾选:dB

     

    图35 2D结果显示:MoM+Symmetry vs. HOBF_MoM

    保存并关闭PostFEKO。

     

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