海洋環境下艦船平臺強電磁脈沖環境仿真預測方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及電磁計算技術領域，尤其涉及一種海洋環境下艦船平臺強電磁脈沖環 境仿真預測方法。
【背景技術】
[0002] 海洋環境下艦船平臺強電磁脈沖環境仿真預測的主要任務是計算艦船周圍電場 分布和關鍵位置的脈沖響應。
[0003] 艦船平臺屬于超大物理尺寸和超電大尺寸的計算目標，普通電磁仿真軟件難以完 成該項任務；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。而實際上 在電磁脈沖頻段，粗糙海面對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，絕大多數商用電磁仿真軟件的計算結果均為頻域信息，而工程實際中，往往需 要知道信號的時域信息，即在一定的帶寬內信號的衰減情況。
【發明內容】
[0004] 本發明要解決的技術問題在于針對現有技術中無法有效計算海面和艦船平臺上 經多次反射后的電磁脈沖場時域波形的缺陷，提供一種海洋環境下艦船平臺強電磁脈沖環 境仿真預測方法，該方法兼顧計算效率和計算精確度。
[0005] 本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：一種海洋環境下艦船平臺強電磁脈 沖環境仿真預測方法，包括以下步驟：
[0006] 1)生成有效傳播路徑；根據海面和艦船平臺上可使電磁波發生反射或散射的主 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，然后運用隨 機橋的理論來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，利用所得的位置來確定電磁 波每條多徑分量的路徑延時；
[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 粗糙導電表面上傳播的模型來分析推導；根據粗糙面的特性，利用格林函數法，通過傅里葉 變換得出多徑分量的幅度衰減函數；
[0009] 4)根據多徑分量的幅度衰減函數和路徑時延，確定多徑分量的沖激響應，然后再 計算多徑分量到達接收點的方位角，確定其方位角的概率分布，從而得到多徑分量的空時 特性的表達式，即得出信道的沖激響應表達式。
[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)中對于反射次數為i次的第j條的多徑分量的超出時延 Tu可表不為：
[0012] t^.=(z^.-201)/〇 (式 1)
[0013] 其中，表示反射次數為i次的第j條的多徑分量軌跡的路程長度，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獲得方式如下：根據不同的布朗 橋方差以及數量生成不同的無線電波的路程樣本，根據傳播環境中使電磁波發生反射或散 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 運用隨機橋的理論來判定是否為有效射線，并得到射線的反射點。
[0015] 按上述方案，所述步驟2)中多徑分量軌跡的路程長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a= ikr2-i[kx+kz (z+z0)],
[0017] 其中，i為虛數符號，k為Zenneck波的傳播常數，kz為垂直于海平面方向的電磁 波傳播常數，z為觀察點的海拔高度，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的計算包括以下步驟：
[0019] 3. 1)根據磁場強度方程和改進粗糙海面的格林積分方程，得到關于相干場的 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
[0021] 3. 3)根據索末菲爾德極點計算公式和相干場等效表面阻抗公式，計算Zenneck波 的傳播常數，并根據數值距離，最終計算得到衰減函數a。
[0022] 按上述方案，所述步驟4)中得到的信道的沖激響應
【主權項】
1. 一種海洋環境下艦船平臺強電磁脈沖環境仿真預測方法，其特征在于，包括w下步 驟： 1) 生成有效傳播路徑；根據海面和艦船平臺上可使電磁波發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，然后運用隨機橋 的理論來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，利用所得的位置來確定電磁波每 條多徑分量的路徑延時； 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 導電表面上傳播的模型來分析推導；根據粗趟面的特性，利用格林函數法，通過傅里葉變換 計算多徑分量的幅度衰減函數； 4) 根據多徑分量的幅度衰減函數和路徑時延，確定多徑分量的沖激響應，然后再計算 多徑分量到達接收點的方位角，確定其方位角的概率分布，從而得到多徑分量的空時特性 的表達式，即得出信道的沖激響應表達式。
2. 根據權利要求1所述的仿真預測方法，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：射線的反射點須在海面上，路徑在傳播中途沒有穿過 反射面。
3. 根據權利要求1所述的仿真預測方法，其特征在于，所述步驟2)中對于反射次數為 i次的第j條的多徑分量的超出時延TU可表示為； Tij=(Zij-Z〇i)/c(式 1) 其中，Zy表示反射次數為i次的第j條的多徑分量軌跡的路程長度，Z。1為該路徑傳播 的直線距離，C為電磁波傳播速度。
4. 根據權利要求1所述的仿真預測方法，其特征在于，所述步驟2)中傳播路徑中的反 射點獲得方式如下；根據不同的布朗橋方差W及數量生成不同的無線電波的路程樣本，根 據傳播環境中使電磁波發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，然后運用隨機橋的理論來判定是否為有效射線，并得到射 線的反射點。
5. 根據權利要求1所述的仿真預測方法，其特征在于，所述步驟2)中多徑分量軌跡的 路程長度服從類似瑞利分布。
6. 根據權利要求1所述的仿真預測方法，其特征在于，所述所述步驟3)中多徑分量的 幅度衰減函數a=ikr2-i[Kx+kz(z+z。)]， 其中，i為虛數符號，k為Zenneck波的傳播常數，k,為垂直于海平面方向的電磁波傳 播常數，Z為觀察點的海拔高度，Z。為福射源的海拔高度，r2為從福射源到觀察點的空間距 離。
7. 根據權利要求1所述的仿真預測方法，其特征在于，所述步驟3)中多徑分量的幅度 衰減函數的計算包括W下步驟： 3. 1)根據磁場強度方程和改進粗趟海面的格林積分方程，得到關于相干場的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； 3. 3)根據索末菲爾德極點計算公式和相干場等效表面阻抗公式，計算Zenneck波的傳 播常數，并根據數值距離，最終計算得到衰減函數a。
8.根據權利要求1所述的仿真預測方法，其特征在于，步驟4)中得到的信道的沖激響 應
其中，Ty為反射次數為i次的第j條的多徑分量的超出時延，aU是第ij條多徑波 的衰減函數，N是總反射次數，Mi是第i次反射的總路徑數，5表示單位沖激函數。
【專利摘要】一種海洋環境下艦船平臺強電磁脈沖環境仿真預測方法，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，利用所得的位置來確定電磁波每條多徑分量的路徑延時；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電表面上傳播的模型來分析推導；根據粗糙面的特性，利用格林函數法，通過傅里葉變換得出多徑分量的幅度衰減函數；4）根據多徑分量的幅度衰減函數和路徑時延，確定多徑分量的沖激響應，然后再計算多徑分量到達接收點的方位角，確定其方位角的概率分布，即得出信道的沖激響應表達式。本方法能有效計算海面和艦船平臺上經多次反射后的電磁脈沖場時域波形。
【IPC分類】G01R29-08
【公開號】CN104849573
【申請號】CN201510331266
【發明人】王冬冬, 鄭生全, 鄧峰
【申請人】中國艦船研究設計中心
【公開日】2015年8月19日
【申請日】2015年6月15日