CN109657196B - 一种基于空域强耦合路径加速的mom-ka混合方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于空域强耦合路径加速的MOM‑KA混合方法，包含以下步骤：S1、计算目标初始电流；S2、获取目标与环境间的强耦合路径，建立目标与环境强耦合区域集合；S3、根据步骤S2建立的强耦合区域集合，计算目标与环境间的互耦；S4、计算考虑目标与环境耦合后的目标电流，根据电流变化率判断迭代是否收敛，如收敛则结束迭代过程，如不收敛则重复步骤S3～S4。本发明给出了目标与粗糙面间的耦合路径，建立了目标与粗糙面间的强耦合区域集合，只计算存在较强互耦的目标与粗糙面区域间的耦合，能够在保证求解精度的前提下大幅提升计算效率。

Description

一种基于空域强耦合路径加速的MOM-KA混合方法
技术领域
本发明涉及一种高低频混合方法，具体是指基于空域强耦合路径加速的MOM-KA混合方法，属于目标与环境特性的技术领域。
背景技术
地海面背景中目标电磁散射特性，对目标的雷达探测和识别等技术具有基础支撑作用。因此，粗糙面环境下目标电磁散射特性建模研究具有重要意义。矩量法(MOM)作为一种严格的数值方法，可以模拟任意形状目标的电磁散射，具有模拟精确，不受目标外形限制的特点。利用粗糙面散射计算的解析方法，如基尔霍夫近似(KA)，结合体目标的MOM数值方法，并完成面-体目标散射相互作用的耦合计算，能在本质上加快大尺度粗糙面与复杂目标复合散射的求解速度，同时又有解析解给予的十分明确的物理解释。
现有技术中所采用的基于迭代法的MOM-KA混合方法，在每次迭代中将KA区域对MOM区域的影响作为MOM区域积分方程右侧激励项的变化量，从而加快收敛速度。但是，该方法并未加速KA区域与MOM区域的耦合计算，单次迭代计算较为耗时。
现有技术中所采用的基于快速多极子算法(MLFMA)加速的MOM-KA混合方法，是利用MLFMA加速目标MOM区域的求解，同时结合快速远场近似等方法降低MOM区域与KA区域耦合计算的复杂度。但是，由于粗糙面区域较大，该方法适用范围仍然有限。
现有技术中，利用射线追踪完成入射电磁场激励下不同面片的耦合区域，然后用矩量法填充附近子区域和耦合区域的阻抗矩阵，非附近子区域和非耦合区域的阻抗矩阵置，整个阻抗矩阵稀疏化程度高，极大的节省了内存空间和计算时间，但该方法仅能进行目标散射计算，不适用于目标与环境复合散射问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于空域强耦合路径加速的MOM-KA混合方法，根据目标与环境强耦合路径，只计算目标与环境存在较强耦合区域的互耦，能够在保证求解精度的前提下大幅提升计算效率，解决现有技术中存在的缺点和限制。
为实现上述目的，本发明提供一种基于空域强耦合路径加速的MOM-KA混合方法，包含以下步骤：
S1、计算目标初始电流；
S2、获取目标与环境间的强耦合路径，建立目标与环境强耦合区域集合；S3、根据步骤S2建立的强耦合区域集合，计算目标与环境间的互耦；
S4、计算考虑目标与环境耦合后的目标电流，根据电流变化率判断迭代是否收敛，如收敛则结束迭代过程，如不收敛则重复步骤S3～S4。
所述的步骤S1中，对目标进行三角网格离散，并定义RWG基函数，求解由目标电场积分方程(EFIE)离散获得的矩阵方程(1)，方程右侧为初始激励项，即外加平面波照射，求得初始电流I0，MOM。
ZI0，MOM＝V0 (1)
所述的步骤S2中，具体包含以下步骤，
S21、对目标与环境进行分块，目标被分解为N1块，分别被标记为
Figure BDA0001882308800000021
环境被分解为N2块，分别被标记为/>
Figure BDA0001882308800000022
沿电磁波入射方向进行射线追踪，记录射线路径并标记为一系列目标、环境分块号的序列，如Mi,Pj,…Mk,…，根据路径对射线进行归类；
S22、对每条路径，按波的传播方向，分别提取目标对环境有较强耦合的分组
Figure BDA0001882308800000023
以及环境对目标有较强耦合的分组/>
Figure BDA0001882308800000024
遍历所有路径，得到目标对环境有较强耦合的总集合UMP，和环境对目标有较强耦合的总集合UPM。
所述的步骤S3中，具体包含以下步骤，
S31、在第i步的迭代过程中，根据步骤S2获取的目标对环境有较强耦合的总集合UMP，由第i-1步计算的目标感应电流系数Ii-1,MOM计算集合UMP中目标块
Figure BDA0001882308800000025
在粗糙面块/>
Figure BDA0001882308800000026
散射场产生的感应电流Ii,KA，具体为：
Figure BDA0001882308800000027
其中，
Figure BDA0001882308800000028
为目标块/>
Figure BDA0001882308800000029
的RWG基函数，/>
Figure BDA00018823088000000210
为粗糙面块/>
Figure BDA00018823088000000211
的面元法向，/>
Figure BDA00018823088000000212
表达式如下
Figure BDA0001882308800000031
其中，g(r,r′)为标量格林函数。
S32、在第i步的迭代过程中，根据步骤S2获取的环境对目标有较强耦合的总集合UPM，根据步骤S31获得的粗糙面电流Ii,KA，更新目标矩阵方程(1)右侧激励项，具体为：
Figure BDA0001882308800000032
Figure BDA0001882308800000033
其中，
Figure BDA0001882308800000034
表达式为
Figure BDA0001882308800000035
其中，j为虚数单位，ω为角频率，μ为磁导率，
Figure BDA0001882308800000036
为单位并矢。
所述的步骤S4中，根据步骤S33更新后的激励项Vi,MOM，再次求解矩阵方程(1)，获得新的目标感应电流Ii,MOM；定义第i次迭代的误差判定函数εi为：
Figure BDA0001882308800000037
其中，Ii,MOM和Ii-1,MOM分别为第i和i-1步所计算的目标感应电流的系数；如εi小于设定阈值，则迭代收敛；如εi大于设定阈值，则重复步骤S3～S4。
综上所述，本发明所提供的一种基于空域强耦合路径加速的MOM-KA混合方法，基于射线追踪、分集，提取了目标与粗糙面间的强耦合路径；根据目标与粗糙面间的空间强耦合路径，只计算存在较强互耦的目标与粗糙面区域间的耦合，能够在保证求解精度的前提下大幅提升计算效率。
附图说明
图1为本发明中的一种基于空域强耦合路径加速的MOM-KA混合方法的流程图；
图2为本发明中的目标与粗糙面空域强耦合路径的示意图。
具体实施方式
以下结合图1～图2，通过优选实施例对本发明的技术内容、构造特征、所达成目的及功效予以详细说明。
如图1所示，本发明所提供的一种基于空域强耦合路径加速的MOM-KA混合方法，包含以下步骤：
S1、计算目标初始电流；
S2、获取目标与环境间的强耦合路径，建立目标与环境强耦合区域集合；
S3、根据步骤S2建立的强耦合区域集合，计算目标与环境间的互耦；
S4、计算考虑目标与环境耦合后的目标电流，根据电流变化率判断迭代是否收敛，如收敛则结束迭代过程，如不收敛则重复步骤S3～S4。
所述的步骤S1中，对目标进行三角网格离散，并定义RWG基函数，求解由目标电场积分方程(EFIE)离散获得的矩阵方程(1)，方程右侧为初始激励项，即外加平面波照射，求得初始电流I0，MOM。
ZI0，MOM＝V0 (1)
其中，Z为阻抗矩阵，I0，MOM表示矩量法区域，即目标初始电流。
所述的步骤S2中，具体包含以下步骤：
S21、对目标与环境进行分块，目标被分解为N1块，分别被标记为
Figure BDA0001882308800000041
环境被分解为N2块，分别被标记为/>
Figure BDA0001882308800000042
沿电磁波入射方向进行射线追踪，记录射线路径并标记为一系列目标、环境分块号的序列，如Mi,Pj,…Mk,…，根据路径对射线进行归类；
S22、对每条路径，按波的传播方向，分别提取目标对环境有较强耦合的分组
Figure BDA0001882308800000043
以及环境对目标有较强耦合的分组/>
Figure BDA0001882308800000044
遍历所有路径，得到目标对环境有较强耦合的总集合UMP，和环境对目标有较强耦合的总集合UPM。如图2所示，耦合路径1中目标对环境有较强耦合的分组为(M1,P1)；耦合路径2中目标对环境有较强耦合的分组为
Figure BDA0001882308800000045
环境对目标有较强耦合的分组为(P3,M2)；
所述的步骤S3中，具体包含以下步骤：
S31、在第i步的迭代过程中，根据步骤S2获取的目标对环境有较强耦合的总集合UMP，由第i-1步计算的目标感应电流系数Ii-1,MOM计算集合UMP中目标块
Figure BDA0001882308800000046
在粗糙面块/>
Figure BDA0001882308800000047
散射场产生的感应电流Ii,KA，具体为：
Figure BDA0001882308800000048
其中，
Figure BDA0001882308800000051
为目标块/>
Figure BDA0001882308800000052
的RWG基函数，/>
Figure BDA0001882308800000053
为粗糙面块/>
Figure BDA0001882308800000054
的面元法向，/>
Figure BDA0001882308800000055
表达式如下
Figure BDA0001882308800000056
其中，g(r,r′)为标量格林函数。
S32、在第i步的迭代过程中，根据步骤S2获取的环境对目标有较强耦合的总集合UPM，根据步骤S31获得的粗糙面电流Ii,KA，更新目标矩阵方程(1)右侧激励项，具体为：
Figure BDA0001882308800000057
Figure BDA0001882308800000058
其中，
Figure BDA0001882308800000059
表达式为
Figure BDA00018823088000000510
其中，j为虚数单位，ω为角频率，μ为磁导率，
Figure BDA00018823088000000511
为单位并矢。
所述的步骤S4中，根据步骤S32更新后的激励项Vi,MOM，再次求解矩阵方程(1)，获得新的目标感应电流Ii,MOM；定义第i次迭代的误差判定函数εi为：
Figure BDA00018823088000000512
其中，Ii,MOM和Ii-1,MOM分别为第i和i-1步所计算的目标感应电流的系数；如εi小于设定阈值，则迭代收敛；如εi大于设定阈值，则重复步骤S3～S4。
综上所述，本发明所提供的一种基于空域强耦合路径加速的MOM-KA混合方法，与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：基于射线追踪、分集，提取了目标与粗糙面间的强耦合路径，建立了目标与粗糙面间的强耦合区域集合；根据目标与粗糙面间的强耦区域集合，只计算存在较强互耦的目标与粗糙面区域间的耦合，能够在保证求解精度的前提下大幅提升计算效率。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (4)

1.一种基于空域强耦合路径加速的MOM-KA混合方法，其特征在于，包含以下步骤：
S1、计算目标初始电流；
S2、提取目标与环境间的强耦合路径，建立目标与环境强耦合区域集合，进一步包含；
S21、对目标与环境进行分块，目标被分解为N1块，分别被标记为
Figure FDA0003955629430000011
环境被分解为N2块，分别被标记为/>
Figure FDA0003955629430000012
沿电磁波入射方向进行射线追踪，记录射线路径并标记为一系列目标、环境分块号的序列：Mi,Pj,...Mk,...，根据路径对射线进行归类；
S22、对每条路径，按波的传播方向，分别提取目标对环境有较强耦合的分组
Figure FDA0003955629430000013
以及环境对目标有较强耦合的分组/>
Figure FDA0003955629430000014
遍历所有路径，得到目标对环境有较强耦合的总集合UMP，和环境对目标有较强耦合的总集合UPM；
S3、根据步骤S2建立的强耦合区域集合，计算目标与环境间的互耦；
S4、计算考虑目标与环境耦合后的目标电流，根据电流变化率判断迭代是否收敛，如收敛则结束迭代过程，如不收敛则重复步骤S3～S4。
2.如权利要求1所述的一种基于空域强耦合路径加速的MOM-KA混合方法，其特征在于，所述的步骤S1中，对目标进行三角网格离散，并定义RWG基函数，求解由目标电场积分方程离散获得的矩阵方程(1)，方程右侧为初始激励项，即外加平面波照射，求得初始电流I0，MOM
ZI0，MOM＝V0 (1)。
3.如权利要求2所述的一种基于空域强耦合路径加速的MOM-KA混合方法，其特征在于，所述的步骤S3中，进一步包含以下步骤：
S31、在第i步的迭代过程中，根据步骤S2获取的目标对环境有较强耦合的总集合UMP，由第i-1步计算的目标感应电流系数Ii-1,MOM计算集合UMP中目标块
Figure FDA0003955629430000015
在粗糙面块/>
Figure FDA0003955629430000016
散射场产生的感应电流Ii,KA，具体为：
Figure FDA0003955629430000017
其中，
Figure FDA0003955629430000021
为目标块/>
Figure FDA0003955629430000022
的RWG基函数，/>
Figure FDA0003955629430000023
为粗糙面块/>
Figure FDA0003955629430000024
的面元法向，/>
Figure FDA0003955629430000025
表达式如下
Figure FDA0003955629430000026
其中，g(r,r′)为标量格林函数；
S32、在第i步的迭代过程中，根据步骤S2获取的环境对目标有较强耦合的总集合UPM，根据步骤S31获得的粗糙面的感应电流Ii,KA，更新目标矩阵方程(1)右侧激励项，具体为：
Figure FDA0003955629430000027
Figure FDA0003955629430000028
其中，
Figure FDA0003955629430000029
表达式为
Figure FDA00039556294300000210
/>
其中，j为虚数单位，ω为角频率，μ为磁导率，
Figure FDA00039556294300000211
为单位并矢。
4.如权利要求3所述的一种基于空域强耦合路径加速的MOM-KA混合方法，其特征在于，所述的步骤S4中，根据步骤S32更新后的激励项Vi,MOM，再次求解矩阵方程(1)，获得新的目标感应电流Ii,MOM；定义第i次迭代的误差判定函数εi为：
Figure FDA00039556294300000212
其中，Ii,MOM和Ii-1,MOM分别为第i和i-1步所计算的目标感应电流的系数；如εi小于设定阈值，则迭代收敛；如εi大于设定阈值，则重复步骤S3～S4。
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