海洋環(huán)境下艦船平臺(tái)強(qiáng)電磁脈沖環(huán)境仿真預(yù)測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電磁計(jì)算技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種海洋環(huán)境下艦船平臺(tái)強(qiáng)電磁脈沖環(huán) 境仿真預(yù)測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 海洋環(huán)境下艦船平臺(tái)強(qiáng)電磁脈沖環(huán)境仿真預(yù)測(cè)的主要任務(wù)是計(jì)算艦船周圍電場(chǎng) 分布和關(guān)鍵位置的脈沖響應(yīng)。
[0003] 艦船平臺(tái)屬于超大物理尺寸和超電大尺寸的計(jì)算目標(biāo)，普通電磁仿真軟件難以完 成該項(xiàng)任務(wù)；其次，目前主流的電磁仿真理論及算法都沒有考慮粗糙海面的影響。而實(shí)際上 在電磁脈沖頻段，粗糙海面對(duì)電波傳播具有顯著影響，且隨著電磁脈沖中心頻率的升高而 增大；最后，絕大多數(shù)商用電磁仿真軟件的計(jì)算結(jié)果均為頻域信息，而工程實(shí)際中，往往需 要知道信號(hào)的時(shí)域信息，即在一定的帶寬內(nèi)信號(hào)的衰減情況。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中無(wú)法有效計(jì)算海面和艦船平臺(tái)上 經(jīng)多次反射后的電磁脈沖場(chǎng)時(shí)域波形的缺陷，提供一種海洋環(huán)境下艦船平臺(tái)強(qiáng)電磁脈沖環(huán) 境仿真預(yù)測(cè)方法，該方法兼顧計(jì)算效率和計(jì)算精確度。
[0005] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種海洋環(huán)境下艦船平臺(tái)強(qiáng)電磁脈 沖環(huán)境仿真預(yù)測(cè)方法，包括以下步驟：
[0006] 1)生成有效傳播路徑；根據(jù)海面和艦船平臺(tái)上可使電磁波發(fā)生反射或散射的主 要障礙物，采用射線追蹤的方法確定電磁波在傳播過程中可能存在的反射面，然后運(yùn)用隨 機(jī)橋的理論來(lái)判定該傳播路徑的有效性；
[0007] 2)確定有效傳播路徑后，得到傳播路徑中的反射點(diǎn)，利用所得的位置來(lái)確定電磁 波每條多徑分量的路徑延時(shí)；
[0008] 3)把電磁波多徑分量在海面上的傳播，作為索末菲爾德和Zenneck波在一維有限 粗糙導(dǎo)電表面上傳播的模型來(lái)分析推導(dǎo)；根據(jù)粗糙面的特性，利用格林函數(shù)法，通過傅里葉 變換得出多徑分量的幅度衰減函數(shù)；
[0009] 4)根據(jù)多徑分量的幅度衰減函數(shù)和路徑時(shí)延，確定多徑分量的沖激響應(yīng)，然后再 計(jì)算多徑分量到達(dá)接收點(diǎn)的方位角，確定其方位角的概率分布，從而得到多徑分量的空時(shí) 特性的表達(dá)式，即得出信道的沖激響應(yīng)表達(dá)式。
[0010] 按上述方案，所述步驟1)中判定是否為有效射線的方法如下：需滿足以下條件： 射線的反射點(diǎn)須在海面上，路徑在傳播中途沒有穿過反射面。
[0011] 按上述方案，所述步驟2)中對(duì)于反射次數(shù)為i次的第j條的多徑分量的超出時(shí)延 Tu可表不為：
[0012] t^.=(z^.-201)/〇 (式 1)
[0013] 其中，表示反射次數(shù)為i次的第j條的多徑分量軌跡的路程長(zhǎng)度，zw為該路徑 傳播的直線距離，C為電磁波傳播速度。
[0014] 按上述方案，所述步驟2)中傳播路徑中的反射點(diǎn)獲得方式如下：根據(jù)不同的布朗 橋方差以及數(shù)量生成不同的無(wú)線電波的路程樣本，根據(jù)傳播環(huán)境中使電磁波發(fā)生反射或散 射的主要障礙物，采用射線追蹤的方法確定電磁波在傳播過程中可能存在的反射面，然后 運(yùn)用隨機(jī)橋的理論來(lái)判定是否為有效射線，并得到射線的反射點(diǎn)。
[0015] 按上述方案，所述步驟2)中多徑分量軌跡的路程長(zhǎng)度服從類似瑞利分布。
[0016] 按上述方案，所述步驟3)中多徑分量的幅度衰減函數(shù)a= ikr2-i[kx+kz (z+z0)],
[0017] 其中，i為虛數(shù)符號(hào)，k為Zenneck波的傳播常數(shù)，kz為垂直于海平面方向的電磁 波傳播常數(shù)，z為觀察點(diǎn)的海拔高度，Z(l為輻射源的海拔高度，r2為從輻射源到觀察點(diǎn)的空 間距離。
[0018] 按上述方案，所述步驟3)中多徑分量的幅度衰減函數(shù)的計(jì)算包括以下步驟：
[0019] 3. 1)根據(jù)磁場(chǎng)強(qiáng)度方程和改進(jìn)粗糙海面的格林積分方程，得到關(guān)于相干場(chǎng)的 Dyson方程；
[0020] 3. 2)利用頻域法（傅里葉變換），求解Dyson方程，從而得到粗糙海面條件下的索 末菲爾德極點(diǎn)
[0021] 3. 3)根據(jù)索末菲爾德極點(diǎn)計(jì)算公式和相干場(chǎng)等效表面阻抗公式，計(jì)算Zenneck波 的傳播常數(shù)，并根據(jù)數(shù)值距離，最終計(jì)算得到衰減函數(shù)a。
[0022] 按上述方案，所述步驟4)中得到的信道的沖激響應(yīng)
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種海洋環(huán)境下艦船平臺(tái)強(qiáng)電磁脈沖環(huán)境仿真預(yù)測(cè)方法，其特征在于，包括w下步 驟： 1) 生成有效傳播路徑；根據(jù)海面和艦船平臺(tái)上可使電磁波發(fā)生反射或散射的主要障 礙物，采用射線追蹤的方法確定電磁波在傳播過程中可能存在的反射面，然后運(yùn)用隨機(jī)橋 的理論來(lái)判定該傳播路徑的有效性； 2) 確定有效傳播路徑后，得到傳播路徑中的反射點(diǎn)，利用所得的位置來(lái)確定電磁波每 條多徑分量的路徑延時(shí)； 3) 把電磁波多徑分量在海面上的傳播，作為索末菲爾德和Zenneck波在一維有限粗趟 導(dǎo)電表面上傳播的模型來(lái)分析推導(dǎo)；根據(jù)粗趟面的特性，利用格林函數(shù)法，通過傅里葉變換 計(jì)算多徑分量的幅度衰減函數(shù)； 4) 根據(jù)多徑分量的幅度衰減函數(shù)和路徑時(shí)延，確定多徑分量的沖激響應(yīng)，然后再計(jì)算 多徑分量到達(dá)接收點(diǎn)的方位角，確定其方位角的概率分布，從而得到多徑分量的空時(shí)特性 的表達(dá)式，即得出信道的沖激響應(yīng)表達(dá)式。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿真預(yù)測(cè)方法，其特征在于，所述步驟1)中判定是否為有效 射線的方法如下；需滿足W下條件：射線的反射點(diǎn)須在海面上，路徑在傳播中途沒有穿過 反射面。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿真預(yù)測(cè)方法，其特征在于，所述步驟2)中對(duì)于反射次數(shù)為 i次的第j條的多徑分量的超出時(shí)延TU可表示為； Tij=(Zij-Z〇i)/c(式 1) 其中，Zy表示反射次數(shù)為i次的第j條的多徑分量軌跡的路程長(zhǎng)度，Z。1為該路徑傳播 的直線距離，C為電磁波傳播速度。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿真預(yù)測(cè)方法，其特征在于，所述步驟2)中傳播路徑中的反 射點(diǎn)獲得方式如下；根據(jù)不同的布朗橋方差W及數(shù)量生成不同的無(wú)線電波的路程樣本，根 據(jù)傳播環(huán)境中使電磁波發(fā)生反射或散射的主要障礙物，采用射線追蹤的方法確定電磁波在 傳播過程中可能存在的反射面，然后運(yùn)用隨機(jī)橋的理論來(lái)判定是否為有效射線，并得到射 線的反射點(diǎn)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿真預(yù)測(cè)方法，其特征在于，所述步驟2)中多徑分量軌跡的 路程長(zhǎng)度服從類似瑞利分布。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿真預(yù)測(cè)方法，其特征在于，所述所述步驟3)中多徑分量的 幅度衰減函數(shù)a=ikr2-i[Kx+kz(z+z。)]， 其中，i為虛數(shù)符號(hào)，k為Zenneck波的傳播常數(shù)，k,為垂直于海平面方向的電磁波傳 播常數(shù)，Z為觀察點(diǎn)的海拔高度，Z。為福射源的海拔高度，r2為從福射源到觀察點(diǎn)的空間距 離。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿真預(yù)測(cè)方法，其特征在于，所述步驟3)中多徑分量的幅度 衰減函數(shù)的計(jì)算包括W下步驟： 3. 1)根據(jù)磁場(chǎng)強(qiáng)度方程和改進(jìn)粗趟海面的格林積分方程，得到關(guān)于相干場(chǎng)的Dyson方 程； 3.2)利用頻域法，求解Dyson方程，從而得到粗趟海面條件下的索末菲爾德極點(diǎn)； 3. 3)根據(jù)索末菲爾德極點(diǎn)計(jì)算公式和相干場(chǎng)等效表面阻抗公式，計(jì)算Zenneck波的傳 播常數(shù)，并根據(jù)數(shù)值距離，最終計(jì)算得到衰減函數(shù)a。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿真預(yù)測(cè)方法，其特征在于，步驟4)中得到的信道的沖激響 應(yīng)
其中，Ty為反射次數(shù)為i次的第j條的多徑分量的超出時(shí)延，aU是第ij條多徑波 的衰減函數(shù)，N是總反射次數(shù)，Mi是第i次反射的總路徑數(shù)，5表示單位沖激函數(shù)。
【專利摘要】一種海洋環(huán)境下艦船平臺(tái)強(qiáng)電磁脈沖環(huán)境仿真預(yù)測(cè)方法，該方法包括以下步驟：1）生成有效傳播路徑；2）確定有效傳播路徑后，得到傳播路徑中的反射點(diǎn)，利用所得的位置來(lái)確定電磁波每條多徑分量的路徑延時(shí)；3）把電磁波多徑分量在海面上的傳播，作為索末菲爾德和Zenneck波在一維有限粗糙導(dǎo)電表面上傳播的模型來(lái)分析推導(dǎo)；根據(jù)粗糙面的特性，利用格林函數(shù)法，通過傅里葉變換得出多徑分量的幅度衰減函數(shù)；4）根據(jù)多徑分量的幅度衰減函數(shù)和路徑時(shí)延，確定多徑分量的沖激響應(yīng)，然后再計(jì)算多徑分量到達(dá)接收點(diǎn)的方位角，確定其方位角的概率分布，即得出信道的沖激響應(yīng)表達(dá)式。本方法能有效計(jì)算海面和艦船平臺(tái)上經(jīng)多次反射后的電磁脈沖場(chǎng)時(shí)域波形。
【IPC分類】G01R29-08
【公開號(hào)】CN104849573
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510331266
【發(fā)明人】王冬冬, 鄭生全, 鄧峰
【申請(qǐng)人】中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心
【公開日】2015年8月19日
【申請(qǐng)日】2015年6月15日