CN112711874B - 等离子体涂覆目标宽频段雷达吸波参数选取方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种等离子体涂覆目标宽频段雷达吸波参数选取方法和装置，包括：建立等离子体涂覆目标宽频段雷达吸波电磁计算模型；确定等离子体涂覆目标优化参数的变化范围；在所述优化参数的变化范围内随机选取等离子体涂覆目标参数初始值；利用时域有限差分方法计算等离子体涂覆目标宽频段雷达吸波电磁计算模型宽频段雷达吸波效果；通过参数优化方法对等离子体涂覆目标参数进行更新；通过预先设置的优化终止条件跳出参数优化循环，得到等离子体涂覆目标宽频段雷达吸波所对应的参数值。可以针对等离子体涂覆目标宽频段雷达吸波需求实现对应参数的优化选取，用于目标结构的隐身优化设计。

Description

等离子体涂覆目标宽频段雷达吸波参数选取方法和装置

技术领域

本发明涉及等离子体涂覆目标参数优化领域，特别是涉及一种等离子体涂覆目标宽频段雷达吸波参数选取方法和装置。

背景技术

随着雷达探测与反隐身技术的不断提升，单纯改变目标外形已无法满足目标隐身突防需求。等离子体雷达吸波技术作为规避雷达探测的一种有效手段，具有吸收率高、吸波频带宽等诸多独特的优点，具备使目标装备电磁波宽频段雷达吸波能力，具有广泛的应用前景。随着研究的深入等离子体雷达吸波技术逐渐用于等离子体隐身器件设计和军事目标隐身方面。由于等离子体雷达吸波机理的复杂性，针对目标特定电磁宽频段吸波要求的等离子体参数优化选取变得难以实现。因此，亟需一种能够实现等离子体涂覆目标宽频段雷达吸波的参数优化新方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种等离子体涂覆目标宽频段雷达吸波参数选取方法和装置，解决以往由于等离子体涂覆目标雷达吸波机理复杂导致难以实现等离子体涂覆目标宽频段雷达吸波对应的参数选取问题。

第一方面，本发明提供一种等离子体涂覆目标宽频段雷达吸波参数选取方法，包括：

建立等离子体涂覆目标宽频段雷达吸波电磁计算模型；

确定等离子体涂覆目标优化参数的变化范围；在所述优化参数的变化范围内随机选取等离子体涂覆目标参数初始值；

利用时域有限差分方法计算等离子体涂覆目标宽频段雷达吸波电磁计算模型宽频段雷达吸波效果；

通过参数优化方法对等离子体涂覆目标参数进行更新；

通过预先设置的优化终止条件跳出参数优化循环，得到等离子体涂覆目标宽频段雷达吸波所对应的参数值。

优选地，建立等离子体涂覆目标宽频段雷达吸波电磁计算模型包括：

在目标外表面涂覆等离子体，并设定所述等离子体涂覆的厚度；

电磁计算模型下的等离子体涂覆Maxwell’s方程组形式如下：

其中，

为电场，

为磁场，

是极化电流密度，ω_p表示等离子体频率，v是电子碰撞频率，ε₀为真空中的介电常数，μ₀为真空中的磁导率。

优选地，确定等离子体涂覆目标优化参数的变化范围；在所述优化参数的变化范围内随机选取等离子体涂覆目标参数初始值包括：

确定影响等离子体涂覆目标雷达吸波效果的参数包括等离子体频率ω_p、电子碰撞频率v以及涂覆厚度d；

确定等离子体频率ω_p变化范围为a₁≤ω_p≤a₂，电子碰撞频率v变化范围为b₁≤v≤b₂，涂覆厚度d变化范围为c₁≤d≤c₂，其中a₁、a₂、b₁、b₂、c₁、c₂分别为等离子体频率ω_p、电子碰撞频率v以及涂覆厚度d变化范围的最小值与最大值，采用如下公式进行参数初始化：

ω_p＝(a₂-a₁)·rand

ν＝(b₂-b₁)·rand

d＝(c₂-c₁)·rand

其中，rand代表0至1之间的随机值。

优选地，利用时域有限差分方法计算等离子体涂覆目标宽频段雷达吸波电磁计算模型宽频段雷达吸波效果包括：

将得到的参数值代入到等离子体涂覆的Maxwell’s方程组中，并通过等离子体时域有限差分方法计算对应的反射率；

根据反射率与雷达吸波效果对应关系得到此时等离子体涂覆目标的雷达吸波效果。

优选地，通过参数优化方法对等离子体涂覆目标参数进行更新包括：

确定参数优化方法对应的代价函数为：Fcost＝max(Reflection(from f_min～f_max))；

其中，f_min和f_max分别为宽频段的频率最小值和频率最大值，max(Reflection(fromf_min～f_max))表示选取宽频段f_min至f_max的反射率最大值；

通过生物寻优优化方法并基于所述代价函数进行等离子体涂覆参数的循环更新优化。

优选地，预先设置的优化终止条件包括以下之一：

优化迭代次数达到预定最大值；

代价函数小于预定最小值。

优选地，得到等离子体涂覆目标宽频段雷达吸波所对应的参数值包括：

由循环跳出判定条件跳出优化循环得到的参数最优值为对应等离子体涂覆目标宽频段雷达吸波所需的参数值。

优选地，对于5至10GHz宽频段的等离子体涂覆目标雷达吸波优化得到的等离子体涂覆参数为等离子体频率ω_p＝87GHz、电子碰撞频率v＝100GHz以及涂覆厚度d＝92mm，反射率小于-18dB，有最少98.85％的雷达电磁波能量吸波效果。

第二方面，本发明还提供一种等离子体涂覆目标宽频段雷达吸波参数选取装置，其特征在于，包括：

建模模块，设置为建立等离子体涂覆目标宽频段雷达吸波电磁计算模型；

参数模块，设置为确定等离子体涂覆目标优化参数的变化范围；在所述优化参数的变化范围内随机选取等离子体涂覆目标参数初始值；

计算模块，设置为利用时域有限差分方法计算等离子体涂覆目标宽频段雷达吸波电磁计算模型宽频段雷达吸波效果；

更新模块，设置为通过参数优化方法对等离子体涂覆目标参数进行更新；

获取模块，设置为通过预先设置的优化终止条件跳出参数优化循环，得到等离子体涂覆目标宽频段雷达吸波所对应的参数值。

另一方面，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其内存储有计算机程序，所述计算机程序在由处理器执行时实现上述的方法。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明基于生物寻优优化算法进行等离子体涂覆目标宽频段雷达吸波参数优化，不需要进行复杂的隐身机理研究，只需要通过优化算法对多个等离子体参数进行更新优化，并根据不同的雷达吸波要求设置不同的参数优化循环跳出条件，可以优化得到满足要求的参数。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。

图1为本发明实施例的等离子体涂覆目标宽频段雷达吸波参数选取方法的流程图；

图2是本发明实施例的等离子体涂覆目标宽频段雷达吸波电磁计算模型结构示意图；

图3是本发明实施例的等离子体涂覆目标宽频段对应的电磁波反射率图；

图4是等离子体涂覆目标宽频段雷达吸波参数选取装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机***中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

实施例一

图1为本发明实施例的一种等离子体涂覆目标宽频段雷达吸波参数选取方法的流程图，所述方法可以包括步骤S101至步骤S105：

S101、建立等离子体涂覆目标宽频段雷达吸波电磁计算模型；

S102、确定等离子体涂覆目标优化参数的变化范围；在所述优化参数的变化范围内随机选取等离子体涂覆目标参数初始值；

S103、利用时域有限差分方法计算等离子体涂覆目标宽频段雷达吸波电磁计算模型宽频段雷达吸波效果；

S104、通过参数优化方法对等离子体涂覆目标参数进行更新；

S105、通过预先设置的优化终止条件跳出参数优化循环，得到等离子体涂覆目标宽频段雷达吸波所对应的参数值。

本发明实施例首先建立等离子体涂覆目标雷达吸波电磁计算模型。随后确定等离子体涂覆目标需要优化参数的变化范围，并在参数范围内随机选取等离子体参数初始值；然后利用时域有限差分方法计算等离子体涂覆目标电磁模型宽频段雷达吸波效果，并通过参数优化方法对等离子体涂覆目标参数进行更新；最后通过预先设置的优化终止条件跳出参数优化循环，得到能够实现等离子体涂覆目标宽频段雷达吸波所对应的参数值。本发明实施例能够实现等离子体涂覆目标宽频段雷达吸波对应参数的优化选取，可用于目标宽频段隐身设计。

本发明实施例中，步骤S101建立等离子体涂覆目标宽频段雷达吸波电磁计算模型包括：

在目标外表面涂覆等离子体，并设定所述等离子体涂覆的厚度；

电磁计算模型下的等离子体涂覆Maxwell’s方程组形式如下：

其中，

为电场，

为磁场，

是极化电流密度，ω_p表示等离子体频率，v是电子碰撞频率，ε₀为真空中的介电常数，μ₀为真空中的磁导率。

本发明实施例的等离子体涂覆目标宽频段雷达吸波电磁计算模型结构示意图如图2所示，等离子体涂覆于目标外壳。图2中1为目标外表面，2为等离子体涂覆，3为等离子体涂覆厚度，4中实线为入射电磁波，虚线为反射电磁波。

影响等离子体涂覆雷达吸波效果的参数有等离子体频率ω_p、电子碰撞频率v以及涂覆厚度d三个参数。在进行参数初始化时，需要在三个参数的变化范围内随机选择参数值，因此本发明实施例中，步骤S102确定等离子体涂覆目标优化参数的变化范围；在所述优化参数的变化范围内随机选取等离子体涂覆目标参数初始值包括：

确定影响等离子体涂覆目标雷达吸波效果的参数包括等离子体频率ω_p、电子碰撞频率v以及涂覆厚度d；

确定等离子体频率ω_p变化范围为a₁≤ω_p≤a₂，电子碰撞频率v变化范围为b₁≤v≤b₂，涂覆厚度d变化范围为c₁≤d≤c₂，其中a₁、a₂、b₁、b₂、c₁、c₂分别为等离子体频率ω_p、电子碰撞频率v以及涂覆厚度d变化范围的最小值与最大值，采用如下公式进行参数初始化：

ω_p＝(a₂-a₁)·rand

ν＝(b₂-b₁)·rand

d＝(c₂-c₁)·rand

其中，rand代表0至1之间的随机值。

本发明实施例中，步骤S103利用时域有限差分方法计算等离子体涂覆目标宽频段雷达吸波电磁计算模型宽频段雷达吸波效果包括：

将得到的参数值代入到等离子体涂覆的Maxwell’s方程组中，并通过等离子体时域有限差分方法计算对应的反射率；

根据反射率与雷达吸波效果对应关系得到此时等离子体涂覆目标的雷达吸波效果。

本发明实施例中，步骤S104通过参数优化方法对等离子体涂覆目标参数进行更新包括：

确定参数优化方法对应的代价函数为：Fcost＝max(Reflection(from f_min～f_max))；

其中，f_min和f_max分别为宽频段的频率最小值和频率最大值，max(Reflection(fromf_min～f_max))表示选取宽频段f_min至f_max的反射率最大值；

通过生物寻优优化方法并基于所述代价函数进行等离子体涂覆参数的循环更新优化。

本发明实施例中，步骤S105预先设置的优化终止条件包括以下之一：

优化迭代次数达到预定最大值；

代价函数小于预定最小值。

本发明实施例中，步骤S105得到等离子体涂覆目标宽频段雷达吸波所对应的参数值包括：

由循环跳出判定条件跳出优化循环得到的参数最优值为对应等离子体涂覆目标宽频段雷达吸波所需的参数值。

本发明实施例中，对于5至10GHz宽频段的等离子体涂覆目标雷达吸波优化得到的等离子体涂覆参数为等离子体频率ω_p＝87GHz、电子碰撞频率v＝100GHz以及涂覆厚度d＝92mm，反射率小于-18dB，有最少98.85％的雷达电磁波能量吸波效果。

对于5至10GHz宽频段的等离子体涂覆目标雷达吸波优化得到的等离子体频率ω_p＝87GHz、电子碰撞频率v＝100GHz以及涂覆厚度d＝92mm，对应电磁波反射率如图3所示，在5至10GHz宽频段内反射率都小于-18dB，对应等离子体涂覆目标在5至10GHz宽频段内有最少98.85％的雷达电磁波能量吸波效果。

实施例二

如图4所示，本发明实施例提供一种等离子体涂覆目标宽频段雷达吸波参数选取装置，包括：

建模模块100，设置为建立等离子体涂覆目标宽频段雷达吸波电磁计算模型；

参数模块200，设置为确定等离子体涂覆目标优化参数的变化范围；在所述优化参数的变化范围内随机选取等离子体涂覆目标参数初始值；

计算模块300，设置为利用时域有限差分方法计算等离子体涂覆目标宽频段雷达吸波电磁计算模型宽频段雷达吸波效果；

更新模块400，设置为通过参数优化方法对等离子体涂覆目标参数进行更新；

获取模块500，设置为通过预先设置的优化终止条件跳出参数优化循环，得到等离子体涂覆目标宽频段雷达吸波所对应的参数值。

本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、***、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些组件或所有组件可以被实施为由处理器，如数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。

Claims (6)

1.一种等离子体涂覆目标宽频段雷达吸波参数选取方法，其特征在于，包括：

建立等离子体涂覆目标宽频段雷达吸波电磁计算模型；

确定等离子体涂覆目标优化参数的变化范围；在所述优化参数的变化范围内随机选取等离子体涂覆目标参数初始值；

利用时域有限差分方法计算等离子体涂覆目标宽频段雷达吸波电磁计算模型宽频段雷达吸波效果；

通过参数优化方法对等离子体涂覆目标参数进行更新；

通过预先设置的优化终止条件跳出参数优化循环，得到等离子体涂覆目标宽频段雷达吸波所对应的参数值；

建立等离子体涂覆目标宽频段雷达吸波电磁计算模型包括：

在目标外表面涂覆等离子体，并设定所述等离子体涂覆的厚度；

电磁计算模型下的等离子体涂覆Maxwell’s方程组形式如下：

其中，

为电场，

为磁场，

是极化电流密度，ω_p表示等离子体频率，v是电子碰撞频率，ε₀为真空中的介电常数，μ₀为真空中的磁导率；

通过参数优化方法对等离子体涂覆目标参数进行更新包括：

确定参数优化方法对应的代价函数为：Fcost＝max(Reflection(from f_min～f_max))；

其中，f_min和f_max分别为宽频段的频率最小值和频率最大值，max(Reflection(from f_min～f_max))表示选取宽频段f_min至f_max的反射率最大值；

通过生物寻优优化方法并基于所述代价函数进行等离子体涂覆参数的循环更新优化；

得到等离子体涂覆目标宽频段雷达吸波所对应的参数值包括：

由循环跳出判定条件跳出优化循环得到的参数最优值为对应等离子体涂覆目标宽频段雷达吸波所需的参数值；

对于5至10GHz宽频段的等离子体涂覆目标雷达吸波优化得到的等离子体涂覆参数为等离子体频率ω_p＝87GHz、电子碰撞频率v＝100GHz以及涂覆厚度d＝92mm，反射率小于-18dB，有最少98.85％的雷达电磁波能量吸波效果。

2.根据权利要求1所述的参数选取方法，其特征在于，确定等离子体涂覆目标优化参数的变化范围；在所述优化参数的变化范围内随机选取等离子体涂覆目标参数初始值包括：

确定影响等离子体涂覆目标雷达吸波效果的参数包括等离子体频率ω_p、电子碰撞频率v以及涂覆厚度d；

确定等离子体频率ω_p变化范围为a₁≤ω_p≤a₂，电子碰撞频率v变化范围为b₁≤v≤b₂，涂覆厚度d变化范围为c₁≤d≤c₂，其中a₁、a₂、b₁、b₂、c₁、c₂分别为等离子体频率ω_p、电子碰撞频率v以及涂覆厚度d变化范围的最小值与最大值，采用如下公式进行参数初始化：

ω_p＝(a₂-a₁)·rand

v＝(b₂-b₁)·rand

d＝(c₂-c₁)·rand

其中，rand代表0至1之间的随机值。

3.根据权利要求2所述的参数选取方法，其特征在于，利用时域有限差分方法计算等离子体涂覆目标宽频段雷达吸波电磁计算模型宽频段雷达吸波效果包括：

将得到的参数值代入到等离子体涂覆的Maxwell’s方程组中，并通过等离子体时域有限差分方法计算对应的反射率；

根据反射率与雷达吸波效果对应关系得到此时等离子体涂覆目标的雷达吸波效果。

4.根据权利要求1所述的参数选取方法，其特征在于，预先设置的优化终止条件包括以下之一：

优化迭代次数达到预定最大值；

代价函数小于预定最小值。

5.一种等离子体涂覆目标宽频段雷达吸波参数选取装置，其特征在于，包括：

建模模块，设置为建立等离子体涂覆目标宽频段雷达吸波电磁计算模型；

参数模块，设置为确定等离子体涂覆目标优化参数的变化范围；在所述优化参数的变化范围内随机选取等离子体涂覆目标参数初始值；

计算模块，设置为利用时域有限差分方法计算等离子体涂覆目标宽频段雷达吸波电磁计算模型宽频段雷达吸波效果；

更新模块，设置为通过参数优化方法对等离子体涂覆目标参数进行更新；

获取模块，设置为通过预先设置的优化终止条件跳出参数优化循环，得到等离子体涂覆目标宽频段雷达吸波所对应的参数值；

建模模块用于执行如下操作：

在目标外表面涂覆等离子体，并设定所述等离子体涂覆的厚度；

电磁计算模型下的等离子体涂覆Maxwell’s方程组形式如下：

其中，

为电场，

为磁场，

是极化电流密度，ω_p表示等离子体频率，v是电子碰撞频率，ε₀为真空中的介电常数，μ₀为真空中的磁导率；

更新模块用于执行如下操作：

确定参数优化方法对应的代价函数为：F cost＝max(Reflection(from f_min～f_max))；

其中，f_min和f_max分别为宽频段的频率最小值和频率最大值，max(Reflection(from f_min～f_max))表示选取宽频段f_min至f_max的反射率最大值；

通过生物寻优优化方法并基于所述代价函数进行等离子体涂覆参数的循环更新优化；

得到等离子体涂覆目标宽频段雷达吸波所对应的参数值包括：

由循环跳出判定条件跳出优化循环得到的参数最优值为对应等离子体涂覆目标宽频段雷达吸波所需的参数值；

对于5至10GHz宽频段的等离子体涂覆目标雷达吸波优化得到的等离子体涂覆参数为等离子体频率ω_p＝87GHz、电子碰撞频率v＝100GHz以及涂覆厚度d＝92mm，反射率小于-18dB，有最少98.85％的雷达电磁波能量吸波效果。

6.一种计算机可读存储介质，其内存储有计算机程序，所述计算机程序在由处理器执行时实现如权利要求1-4中任一项所述的方法。

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