復(fù)雜目標散射特性仿真思路與應(yīng)用案例

1、1復(fù)雜目標散射特性仿真思路與應(yīng)用案例2內(nèi)容提要1234RCS概述面臨挑戰(zhàn)電大尺寸、結(jié)構(gòu)復(fù)雜度高、大規(guī)模計算解決方案FEM+IE+PO、3D Components、HPC+DDM案例分析飛機的RCS仿真與隱身設(shè)計、FSS頻選罩的隱身設(shè)計3RCS 定義Radar Cross Section3數(shù)學(xué)上，RCS 定義為： = lim 42 2 2s i，E 、E 分別表示散射和入射電場物理上，RCS 是目標有效反射面積的度量，或指定方向上散射功率對入射功率歸一化的度量當發(fā)射機和接收機在同一位置時，稱為單站RCS（Monostatic RCS ）當發(fā)射機和接收機有一定距離間隔時，稱為雙站RCS （Bist

2、atic RCS ）RCS 用面積單位表示（例如， = 1m2） ，通常也表示為為dBsm或（2）RCS概述源的位置觀測位置單站雷達雙站雷達4目標電尺寸越來越大飛機、坦克、艦船同時包含結(jié)構(gòu)細節(jié)考慮機載天線影響結(jié)構(gòu)復(fù)雜度越來越高凹腔、進氣道隱身材料涂覆結(jié)構(gòu)型隱身材料、FSS特殊RCS越來越重要近場RCS天線陣RCS時域RCS目標特性分析的發(fā)展趨勢45面臨的挑戰(zhàn)6FEM適合涂層、FSS、天線等復(fù)雜目標單一的算法無法解決電大且復(fù)雜的問題適合的算法IE法適合電大尺寸金屬體7天線近遠場效應(yīng)，不同姿態(tài)、位置局部模型的姿態(tài)角、相互位置有變化時，模型的重復(fù)計算姿態(tài)與布局8大規(guī)模計算Mesh #RAMElaps

3、ed Time10GHz5.03 million15.4 G27.5 minutes18GHz16.19 million50.6G174.5 minutes10.325 meter 620 18GHzIncident Wave4.19 meter 252 18GHzTop View必需有高效率的并行技術(shù)支持分布式節(jié)點15.15 meter 910 18GHzFront View9仿真解決方案10 New in R17: FEM-IE-PO 混合算法FE-BIFinite Element MethodHFSSEfficiently handles complexmaterial and geom

4、etriesHybrid Finite Element - Integral EquationsFE-BIIE-RegionsPO-RegionsHybrid method invoked inside of HFSS Design using IE- Regions or FE-BI boundary conditionsHybrid method takes advantage of features from bothmethods to allow for more efficient simulationsIE-RegionsIntegral EquationsHFSS-IEEffi

5、cient solution technique for open radiating and scattering of metallic objects(PO)11 FE-BI、IE-Regions、PO-Regions大混合更大、更快、更合理有限元FE-BIIE-RegionPO-Region混合算法在RCS中的應(yīng)用12 3D 組件庫自定義加密模型包括幾何體材料特性邊界條件端口激勵網(wǎng)格設(shè)置3D Component 組件庫13 裝配體：Assembly Mesh裝配體1、天線2、機體3、螺旋槳4、一對支架并行高效的網(wǎng)格劃分技術(shù)不同位置、姿態(tài)時的網(wǎng)格復(fù)用14 汽車的屏蔽效能邊界等效，高效建模

6、：薄導(dǎo)體薄介質(zhì)和分層材料屏蔽殼體內(nèi)的赫茲偶極子泄露vs. 頻率Shell Element 殼單元15 Screened air intake進氣道柵網(wǎng)的處理屏網(wǎng)邊界建模進氣道柵網(wǎng)等效16 高性能計算HPCHPC distributes mesh sub-domains, FEM anddiscontinuous IE domains, to networked processors and memoryFEMDomain 1FEMDomain 2FEMFEMDomain 3Domain 4IE Domain顯著提高仿真能力可采用多處理器節(jié)點DDM域分解并行算法DSO分布式并行技術(shù)將劃分的子域分

7、配到網(wǎng)絡(luò)FEM 求解空間劃分多域較大IE域可分配到多節(jié)點17 特殊的RCS應(yīng)用18 半徑0.53 半徑0.58 半徑 0.5 半徑0.67 半徑0.75 半徑遠場輻射方向圖近場RCS：距離相關(guān)性19 時域RCS鼻錐部分的反射機翼前緣的反射機身的反射P1 (觀測點)一般情況下，RCS計算都在頻域20 天線陣的散射場圖僅考慮結(jié)構(gòu)項考慮結(jié)構(gòu)項和模式項的實際情況從仿真得到的電場動畫圖可直 觀的發(fā)現(xiàn)，對于實際的天線陣 由于端口反射導(dǎo)致的模式項二 次輻射對迎頭方向的散射場有 明顯的加強，從而解釋了為什 么在迎頭方向上考慮模式項后 的單站RCS比僅考慮結(jié)構(gòu)項的 情況下高出了近10dB。21 案例分析1 飛機

8、的RCS仿真與隱身設(shè)計22 電大尺寸，計算規(guī)模大結(jié)構(gòu)復(fù)雜，細節(jié)要求高隱身涂層、進氣道柵等電大且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的目標23 模型導(dǎo)入HFSS1、HFSS直接導(dǎo)入2、SpaceClaim+一鍵修復(fù)24 進氣道柵網(wǎng)Anisotropic Impedance BoundaryPerfect EPerfect EPerfect HPerfect H進氣道柵網(wǎng)的等效建模方法鼻錐方向入射25 New in R17:網(wǎng)格劃分更簡單的網(wǎng)格設(shè)置方式，更快速的網(wǎng)格劃分能力26 仿真結(jié)果進氣柵的影響涂覆前MeshNumMeshTime內(nèi)存占用TotalTimeCPU雙站 RCS38.6萬6m46.7GB23m16單站 RCS

9、38.1萬6m34.8GB1h20m16紅色：無進氣柵網(wǎng)藍色：含進氣柵網(wǎng)紅色：無進氣柵網(wǎng)藍色：含進氣柵網(wǎng)27 隱身涂料的等效建模Shell ElementLayered Boundary可設(shè)置多層涂覆每層的厚度、材料特性 殼單元技術(shù)28 隱身涂料的仿真設(shè)計涂料1（電損+磁損）涂料2（電損）29 涂覆后的雙站RCS紅色：無涂覆 藍色：涂覆1峰值衰減約4dB紅色：無涂覆 藍色：涂覆2峰值衰減約0.5dB30 涂覆后的單站RCS紅色：無涂覆 藍色：涂覆1峰值衰減約2dB紅色：無涂覆 藍色：涂覆2峰值衰減約1.7dB31 計算資源的消耗涂覆后涂覆前MeshNumMeshTime內(nèi)存占用TotalTim

10、eCPU雙站 RCS38.9萬7m44.4GB17m20單站 RCS38.8萬7m36.14GB2h39m2032 案例分析2 發(fā)動機腔體的RCS計算33 發(fā)動機腔體模型RCS計算要求：1、單站RCS計算2、僅計算腔體內(nèi)部3、掃描角度180度SCDM修復(fù)后的發(fā)動機腔體模型34 純有限元求解自適應(yīng)網(wǎng)格結(jié)果35 仿真結(jié)果單站RCS求解Mesh網(wǎng)格 量Mesh時間內(nèi)存占用求解時間20GHz293.2萬3h15m339.2GB97h31m硬件支持：CPU：144內(nèi)存：640GB36 案例分析3 飛機頭罩的RCS減縮設(shè)計37 SCDM修復(fù)+Wrap纏繞SCDMHFSS Wrap裝配體38 裝配體：Assembly Mesh加速網(wǎng)格剖分 增加網(wǎng)格復(fù)用調(diào)整模型的姿態(tài)與位置，移動、復(fù)制裝配體中的組件時，不需要重新劃 分網(wǎng)格，以提高求解效率。39 罩體對天線的影響9GHz增益/dBY向副瓣/dBX向副瓣/dB零深/dB瞄準誤差天線25.18-20-20-280FSS罩+天線0度偏轉(zhuǎn)23.24-11.5-18-28+0.5FSS罩+天線10度偏轉(zhuǎn)23.06-10.7-16.2Y向-12.8X向-15.3-1FSS罩+天線30度偏轉(zhuǎn)21.66-8.0-20.4Y向-5.5 X向-17.8-