本發(fā)明屬于目標電磁散射特性的快速計算技術領域，具體涉及一種應用于金屬復雜非均勻媒質(zhì)混合目標的電磁散射分析方法。

背景技術：
隨著金屬復雜非均勻媒質(zhì)混合目標越來越多的出現(xiàn)在實際應用中，提出一種精確而有效的電磁分析方法就顯得極為重要。在計算電磁學領域也相繼出現(xiàn)了一些解決此類結(jié)構的電磁散射特性問題的數(shù)值計算方法。針對這種金屬介質(zhì)混合結(jié)構，金屬部分通常被作為理想導電體（PEC）來處理,并且容易被面積分方程方法（SIE）來分析求解，其中RWG基函數(shù)（RaoM,WiltonDandGlissonA.Electromagneticscatteringbysurfacesofarbitraryshape.IEEETransactiononAntennasandPropagation,1982,30(3):409–418.）由于其靈活性通常被被用來作為展開未知電流的基函數(shù)。介質(zhì)部分，通常使用體積分方程方法（SchaubertD,WiltonDandGlissonA.Atetrahedralmodelingmethodforelectromagneticscatteringbyarbitrarilyshapedinhomogeneousdielectricbodies.IEEETransactiononAntennasandPropagation,1984,32(1):77–85.）進行分析。由于復雜非均勻媒質(zhì)部分采用體剖分造成未知量巨大，即便采用了多層快速多級子（MLFMM）（Tao,S.F.Ding,D.Z.;Chen,R.S.;Chen,M.ElectromagneticanalysisofelectricallylargeandarbitrariedshapedFSSusinghybridVSIEcombinedwithparallelizedMLFMM.ICMMT2010,Chengdu,614–616.）加速的矩量法進行求解，依然面臨者計算資源消耗高的問題。

技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提出本一種多層快速多極子（MLFMM）、快速遠場近似（RPFMA）以及射線追蹤（FAFFA）相結(jié)合的分析金屬復雜非均勻媒質(zhì)混合目標的電磁散射問題的快速分析方法。由于對遠場部分采用更高效的計算方式，本發(fā)明對于求解金屬復雜非均勻媒質(zhì)混合目標散射問題需要更少的計算內(nèi)存以及計算時間。實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術方案為：一種應用于金屬復雜非均勻媒質(zhì)混合目標的電磁散射分析方法，具體步驟如下：第一步，根據(jù)混合結(jié)構的散射特性，目標上的總電場等于入射場與散射場之和，入射電場為已知激勵，均勻平面波通常被用來作為入射電場，散射電場可以用待求的電通密度和感應電流密度來表示，其中，ZDD代表介質(zhì)對介質(zhì)的作用，ZDM表示介質(zhì)對金屬的作用，ZMD都表示介質(zhì)和金屬的相互作用部分，ZMM示金屬對金屬的作用；第二步，將自由空間中格林函數(shù)基于加法定理展開，結(jié)合體面積分方程的表達式，給出遠場部分的聚合因子，轉(zhuǎn)移因子和配置因子的具體表達形式；第三步，結(jié)合體面積分方程的特性，利用射線追蹤的基本原理，合理的選擇出轉(zhuǎn)移因子中角譜分量大的部分，將角譜分量小的部分舍棄掉；第四步，結(jié)合體面積分方程的特性，在更高層采用快速遠場近似的方法計算遠場作用；第五步，矩陣方程求解以及電磁散射參數(shù)的計算。優(yōu)選地,所述體面積分方程中，對轉(zhuǎn)移因子進行加窗處理，采用的窗函數(shù)表示如下：其中，L為球坐標下θ方向L個離散點的個數(shù)，l為每個轉(zhuǎn)移因子分量的編號，經(jīng)過窗函數(shù)處理過后的轉(zhuǎn)移因子中較小的各個分量變得更小，設定每層轉(zhuǎn)移因子角譜分量閾值，令θe為設定閾值對應的角譜分量方向與遠場作用組中心連線方向的最大夾角，提取并計算角譜分量方向與兩作用組中心連線方向夾角不大于θe的角譜分量。優(yōu)選地,所述體面積分方程中，把快速遠場近似、射線追蹤和多層快速多級子方法相結(jié)合，基于遠場組之間的距離將每一層組與組之間采用快速多極子加速遠場作用、射線多極子加速遠場作用或者快速遠場近似加速遠場作用的方法進行處理，從而在整體上實現(xiàn)加速遠場計算的目的。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，其顯著優(yōu)點：本發(fā)明是應用于金屬復雜非均勻媒質(zhì)混合目標的電磁散射分析方法，對于求解金屬復雜非均勻媒質(zhì)混合目標散射問題,由于格林函數(shù)是自由空間的格林函數(shù)，本發(fā)明中采用了基于格林函數(shù)加法定理展開的快速多級子技術，加速了矩陣求解速度，同時節(jié)約了計算內(nèi)存，并且結(jié)合體面積分方程的特性，利用射線追蹤的原理，合理的舍去了轉(zhuǎn)移因子較小的分量，對于更高層遠場組之間的作用，僅需計算組與組中心連接線方向的轉(zhuǎn)移分量，進一步減少了計算時間和計算內(nèi)存。附圖說明圖1是本發(fā)明的應用于金屬復雜非均勻媒質(zhì)混合目標的電磁散射分析方法中的埃瓦耳德球示意圖。圖2是本發(fā)明的應用于金屬復雜非均勻媒質(zhì)混合目標的電磁散射分析方法中多層快速多極子對應的角譜分量示意圖。圖3是本發(fā)明的應用于金屬復雜非均勻媒質(zhì)混合目標的電磁散射分析方法中射線多極子對應的角譜分量示意圖。圖4是本發(fā)明的應用于金屬復雜非均勻媒質(zhì)混合目標的電磁散射分析方法中快速遠場近似對應的角譜分量示意圖。圖5是本發(fā)明的應用于金屬復雜非均勻媒質(zhì)混合目標的電磁散射分析方法中雙戰(zhàn)RCS對比曲線示意圖。具體實施方式為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式做詳細的說明，使本發(fā)明的上述及其它目的、特征和優(yōu)勢將更加清晰。圖1是本發(fā)明的應用于金屬復雜非均勻媒質(zhì)混合目標的電磁散射分析方法中的埃瓦耳德球示意圖，圖2是本發(fā)明的應用于金屬復雜非均勻媒質(zhì)混合目標的電磁散射分析方法多層快速多極子對應的角譜分量示意圖，圖3是本發(fā)明的應用于金屬復雜非均勻媒質(zhì)混合目標的電磁散射分析方法射線多極子對應的角譜分量示意圖，圖4是本發(fā)明的應用于金屬復雜非均勻媒質(zhì)混合目標的電磁散射分析方法快速遠場近似對應的角譜分量示意圖，如圖1至圖4所示，本發(fā)明提供了一種應用于金屬復雜非均勻媒質(zhì)混合目標的電磁散射分析方法，具體步驟如下：第一步，根據(jù)混合結(jié)構的散射特性，目標上的總電場等于入射場與散射場之和，入射電場為已知激勵，均勻平面波通常被用來作為入射電場，散射電場可以用待求的電通密度和感應電流密度來表示，其中，ZDD代表介質(zhì)對介質(zhì)的作用，ZDM表示介質(zhì)對金屬的作用，ZMD都表示介質(zhì)和金屬的相互作用部分，ZMM表示金屬對金屬的作用。表示形式如下，其中，和分別代表體和面測試基函數(shù)，ω為電磁波角頻率，和分別為，，和表示待求的電通量密度和金屬面電流密度，是自由空間的格林函數(shù)。上式中右邊向量是由平面波產(chǎn)生的，可以寫成第二步，對自由空間的格林函數(shù)按照加法定理展開，假設在給定的一層中，任一組m中有一個場點ri，任一組n中有一個源點rj，rm、rn分別是場點組和源點組的中心點；兩個非空組中場點和源點的空間矢量記為：rij=ri-rj=rim+rmn+rnj，當所分析的場點組和源點組不重合也不相鄰時，滿足|rim+rnj|＜|rmn|，自由空間的標量格林函數(shù)可在角譜空間寫成：整個積分是定義在單位球SE上的，αmn是兩個組的轉(zhuǎn)移因子，定義如下：其中，jl(kd)為球貝塞函數(shù)，為第二類球漢克爾函數(shù)，為勒讓德函數(shù)；L是無限級數(shù)的截斷長度，L=kD+β(kD)1/3，D是分組的尺寸，β為精度參數(shù)，β≥2；用（θ，φ）表示單位球SE坐標，積分點數(shù)為KL=2L2，其中在θ方向共采集L個點的一維高斯積分，φ方向共采集2L個點數(shù)的梯形法則積分；給出ZDD、ZMD、ZDM和ZMM聚合因子，轉(zhuǎn)移因子和配置因子的具體表達式分別為：以上分析可以看出，在體面積分方程中應用快速多極子算法時，所有的單位球上的角譜分量都要用于轉(zhuǎn)移過程，用(θ,φ)來描述單位球(0≤θ≤π,0≤φ≤2π)，可以在θ方向(0,π)得到L個離散的點，在φ方向(0,2π)得到2L個離散的點，L是與層數(shù)以及目標電尺寸有關的參量，且層數(shù)與電尺寸越大，L的值越大。因此，當金屬介質(zhì)混合目標的尺寸非常大時，僅ZDD項所需要的轉(zhuǎn)移量就很大，另外還有ZDM、ZMD和ZMM三項，可知，轉(zhuǎn)移因子所占內(nèi)存非常大，轉(zhuǎn)移過程是相當耗時的。第三步，利用射線追蹤的基本原理，結(jié)合體面積分方程的特性合理的選擇出轉(zhuǎn)移因子中角譜分量大的部分，將角譜分量小的部分舍棄掉。轉(zhuǎn)移因子是兩個遠場作用組中心距離和組的大小的函數(shù)，當兩個遠場作用組中心距離和組的大小確定時，轉(zhuǎn)移因子的特性類似于線性天線陣列的輻射方向圖特性，將轉(zhuǎn)移矩陣加上一個窗函數(shù)：其中，L為球坐標下θ方向L個離散點的個數(shù)，l為每個轉(zhuǎn)移因子分量的編號。具體的做法是：在轉(zhuǎn)移因子上乘上窗函數(shù)的作用，使得兩組中心連線方向附近的轉(zhuǎn)移分量的值相對于其它部分轉(zhuǎn)移因子的值有陡峭的變化，在這種情況下，可以省略對轉(zhuǎn)移過程影響較小的角譜分量的作用，從而使得射線多極子獲得更高的效率。同時，可以驗證這種處理對計算精度影響很小。接著需要設定需要轉(zhuǎn)移的角譜分量的范圍。如圖1所示，θr為兩作用組連線方向與z軸的夾角，φr為兩作用組連線方向向量在XOY面上投影和x軸的夾角，θe為設定的閾值對應的角譜分量方向與兩作用組連線方向的夾角。在計算轉(zhuǎn)移因子的過程中，轉(zhuǎn)移因子角譜分量的大小隨著與遠場作用組中心連線方向的夾角的增大而減小。這樣可以對轉(zhuǎn)移因子設定閾值對圓錐區(qū)域的大小進行判定。在具體操作中，只需提取并計算角譜分量方向與兩作用組中心連線方向夾角不大于θe的角譜分量。在算法驗證時可以得到這部分角譜分量可以很好地聯(lián)系兩個遠場作用組的作用。第四步，結(jié)合體面積分方程的特性，在更高層采用快速遠場近似的方法快速計算遠場作用?？焖龠h場近似方法中，當場源之間的距離滿足一定的條件時，我們可以只計算場源連線方向上的角譜分量，這樣將轉(zhuǎn)移量降到最低。本發(fā)明中采用組與組之間采用快速遠場近似的判據(jù)條件為：rmn＞3γdlevel（15）其中dlevel為該層組的電尺寸，γ為結(jié)合體面積分方程特點設置的一個經(jīng)驗值，本發(fā)明中取為1.5。由此可以將快速遠場近似、射線追蹤和多層快速多級子方法相結(jié)合，基于遠場組之間的距離可以將每一層組與組之間的作用采用三種快速方法進行處理：1快速多極子加速遠場作用；2射線多極子加速遠場作用；3快速遠場近似加速遠場作用。從而在整體上實現(xiàn)加速遠場計算的目的，本發(fā)明中將這種方法稱為MLFMA-RPFMA-FAFFA方法，該方法具有進一步簡化了轉(zhuǎn)移因子的計算和存儲過程的優(yōu)點，具有重大的工程意義。第五步，矩陣方程求解以及電磁散射參數(shù)的計算。為了驗證方法的效率和精度，下面給出了電大尺寸的金屬媒質(zhì)混合目標的電磁散射的算例，把使用RPFMA+FAFFA+MLFMM方法計算結(jié)果與純MLFMM計算結(jié)果相對比，表1中可以看出該方法的高效性。一個200m*0.2m的金屬長條，未知量為10007。用多層快速多極子分成8層計算，入射平面波頻率為300MHZ，垂直入射，TM極化，入射方向沿Z軸負方向，第四層開始使用RPFMA，其中LC表示從該層開始使用FAFFA近似處理，圖5是本發(fā)明的應用于金屬復雜非均勻媒質(zhì)混合目標的電磁散射分析方法雙戰(zhàn)RCS對比曲線示意圖，給出了其歸一化的RCS對比圖，并給出了兩種計算方法的相關參數(shù)對比，如表1所示，方法迭代時間(s)遠場內(nèi)存消耗(MB)MLFMM44.31059本發(fā)明方法（Lc=4）3.6570.7本發(fā)明方法（Lc=5）2.0365.8本發(fā)明方法（Lc=6）1.3744.7表1本算例是在MicrosoftVisualStudio2005編譯器release模式調(diào)用八個進程下運行的結(jié)果。本發(fā)明的應用于金屬復雜非均勻媒質(zhì)混合目標的電磁散射分析方法，有益效果如下：實現(xiàn)過程簡單，在多層快速多級子的基礎上，只需對轉(zhuǎn)移因子做處理即可；所需計算資源少，射線追蹤方法中由于只需要轉(zhuǎn)移場源連線方向周圍的角譜分量，相較于多層快速多級子中對單位球上的所有角譜分量進行轉(zhuǎn)移，節(jié)省了轉(zhuǎn)移因子的計算時間和所需的存儲內(nèi)存。同時當滿足快速遠場近似的條件下，僅需計算轉(zhuǎn)移因子在場源組中心連線方向上的角譜分量，在滿足計算精度的條件下進一步節(jié)省了計算資源。在以上的描述中闡述了很多具體細節(jié)以便于充分理解本發(fā)明。但是以上描述僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，本發(fā)明能夠以很多不同于在此描述的其它方式來實施，因此本發(fā)明不受上面公開的具體實施的限制。同時任何熟悉本領域技術人員在不脫離本發(fā)明技術方案范圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術內(nèi)容對本發(fā)明技術方案做出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。凡是未脫離本發(fā)明技術方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術實質(zhì)對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均仍屬于本發(fā)明技術方案保護的范圍內(nèi)。