基于FEKO的雷達目標電磁散射特性研究

李亭等

摘 要：為了驗證電磁計算軟件FEKO仿真計算雷達目標的電磁散射特性的可靠性，分別采用理論計算與仿真結果對比，緊縮場測量與仿真結果對比，F(xiàn)EKO仿真結果與HFSS仿真結果對比3種方式進行驗證。發(fā)現(xiàn)理論計算、緊縮場測量以及HFSS仿真得到的單站RCS數(shù)據(jù)和FEKO仿真結果相吻合，由此驗證了FEKO仿真結果的可靠性，可用于非合作目標電磁散射特性的仿真計算。

關鍵詞： FEKO； 緊縮場測量； RCS； HFSS

中圖分類號： TN955?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）21?0039?03

Research on FEKO?based electromagnetic scattering characteristics of radar target

LI Ting， HAN Hongbin， LIU Yu

（Unit 91336 of PLA， Qinhuangdao 066326， China）

Abstract： To verify the reliability of electromagnetic scattering characteristics of radar target calculated by FEKO， three modes of comparing theoretical calculation with simulation results， comparing compact field measurement with simulation results， and comparing FEKO simulation results with HFSS simulation results are adopted for the verification. It′s found that the RCS data obtained from theoretical calculation， compact field measurement and HFSS simulation is be identical to FEKO simulation results. The reliability of FEKO simulation results is proved， and this method can be used to calculate and simulate the electromagnetic scattering characteristics of non?cooperative target.

Keywords： FEKO； compact field measurement； RCS； HFSS

0 引 言

雷達通常根據(jù)目標電磁散射特性確定其位置和類型，因此對目標電磁散射特性的研究在現(xiàn)代雷達對抗中具有重要意義[1?2]。目標電磁散射特性中最重要的是幅度特性，用雷達散射截面（RCS）來描述。在外場測量目標散射特性時常常會受到氣候、溫度、噪聲等環(huán)境因素的影響而使得測量結果存在誤差，因此常常需要與仿真計算結果進行比對來確定測量數(shù)據(jù)的有效性。

FEKO是一個以矩量法為基礎的電磁計算軟件，并且集成了物理光學法（PO）、幾何繞射理論（GTD）、一致性繞射理論（UTD）、多層快速多極子法（MLFMA）等多種算法[3]。RCS的仿真計算很多都是采用FEKO軟件完成，因此對FEKO計算結果可靠性的驗證必不可少。本文分別采用理論計算與仿真結果對比，緊縮場測量與仿真結果對比，F(xiàn)EKO與HFSS仿真結果對比3種方式驗證FEKO計算的可靠性。

1 FEKO的仿真計算方法

利用電磁計算軟件FEKO仿真計算雷達目標電磁散射特性時，首先建立其幾何模型，并賦予其材料特性和激勵條件；然后對模型進行網(wǎng)格化剖分，建立其幾何結構的數(shù)據(jù)文件，利用相應的電磁計算方法對其進行近似求解；最后通過對計算結果的處理得到想要的數(shù)據(jù)。具體過程如圖1所示。

2 目標電磁散射特性分析

雷達根據(jù)目標對雷達波的散射能量來判斷目標存在并確定目標位置，對目標電磁散射特性的研究在現(xiàn)代雷達對抗中具有重要意義。目標電磁散射特性中最重要的是幅度特性，通常用雷達散射截面（RCS）描述。它是目標的假想面積，用一個各向均勻的等效反射器的投影面積表示，該等效反射器與被定義的目標物體，在接收方向單位立體角內(nèi)具有相同的回波功率。雷達散射截面一般用符號[σ]表示，其數(shù)學定義為[4?6]：

式中：[r0]是平板面元局部坐標系原點在全局坐標系中的位置矢量；[am]是平板面元第[m]個邊緣的長度和方向矢量；[rm]是第[m]個邊緣中點的位置矢量；[W=i-s，][i，][s]分別為入射和散射方向的單位矢量；[T]是[W]在平板面元上的投影長度；[p=n×Wn×W]是平板面元上垂直于[W]的單位矢量；[M]是平板邊緣的數(shù)目，取3時即為三角形面元。

尖劈的RCS平方根公式由PTD推得[1]：

3 基于FEKO的仿真分析

3.1 金屬平板的FEKO仿真與理論計算對比

設一個理想導電的矩形金屬平板在[xOy]平面上，長寬分別為[a]和[b，][a=b=]30 cm，如圖2所示。

采用FEKO軟件仿真計算金屬平板在9.41 GHz頻點的入射波照射下，不同方位（[θ]=90°，[φ]=0°～90°，間隔為0.5°）的單站RCS值。對有限尺寸的平板的理論計算有物理光學法（PO）、幾何繞射理論（GTD）和一致性繞射理論（UTD）三種計算方法。將仿真得到的垂直極化和水平極化兩個分量與理論計算結果進行對比，如圖3所示。

由圖3可以看出，在[0≤φ<25°]范圍內(nèi)，仿真結果與理論計算值相同，而超過這個范圍后，理論PO算法與FEKO仿真計算值偏差較大，而GTD和UTD結果與理論計算值較為相近，這是由于PO未能考慮金屬平板前后面之間的多次繞射。

3.2 標準體的FEKO仿真與實測數(shù)據(jù)對比

選擇如圖4所示的5 m2三維幾何實體目標作為標準體，該標準體邊長為448 mm，倒角邊長為53.5 mm，金屬板厚度為1 mm。

由仿真計算結果和實測結果均可看出：在平面波正對標準體垂直入射時（0°，90°，180°，270°四個方位），標準體的RCS值最大，此時標準體的散射截面最大。當入射方向在45°，135°，225°和315°時，標準體RCS均出現(xiàn)一個極值，此時標準體的散射截面相當于其中兩個角反射體相對于入射方向的橫截面積。

FEKO仿真和緊縮場測量的RCS最大值和平均值的比較如表1所示。從表1中可以看出，F(xiàn)EKO仿真和暗室測量對數(shù)平均值相差1 dB，中值相差0.3 dB，算術平均值相差0.61 dB。由此可以看出仿真結果與緊縮場測量十分接近。

4 結 語

通過以上對比分析可以得出，F(xiàn)EKO能夠方便快捷地解決雷達目標電磁散射特性計算問題，計算結果與理論計算、緊縮場測量以及HFSS仿真結果相吻合，計算精準度較高，可用于非合作目標電磁散射特性的仿真計算。為以后在仿真實驗中采用FEKO計算復雜雷達目標電磁散射特性結果的正確性奠定了理論支撐。

參考文獻

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