RCS-Analyse von 3D-Drehkörpern
Die vier Ziele bestehen aus kleinen Rotationskörpern, die bei verschiedenen Frequenzen für monostatische RCS um die azimutale Achse gemessen wurden. Die Ziele wurden von der NASA entwickelt und in [1] veröffentlicht. Die in diesem Beispiel verwendeten Messergebnisse wurden der späteren Veröffentlichung [2] entnommen.
Die Zielformen wurden gewählt, um schwierige Situationen für die Simulationssoftware hervorzuheben, wie z. B. sanft gekrümmte Oberflächen. Zu den vier hier simulierten Rotationskörpern gehören eine symmetrische einfache Ogive, eine doppelte Ogive, eine Halbkegel-Halbkugel-Form und eine ähnliche Kegel-Kugel-Form mit einer kleinen Lücke, die den Verbindungspunkt zwischen dem Kegel und der Kugel umgibt. Die vier Ziele sind in den Abbildungen 1-4 dargestellt.
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Abbildung 1 zeigt die Single Ogive Geometrie mit einer Gesamtlänge von 10 Zoll (254 mm) und einem maximalen Radius von 1 Zoll (25,4 mm).
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Abbildung 2 zeigt die doppelte Ogive mit einer maximalen Länge von 7,5 Zoll (190,5 mm) und einem maximalen Radius von 1 Zoll (25,4 mm). Die +X-Seite der Doppel-Ogive entspricht der Struktur der Einzel-Ogive, während die -X-Seite einen größeren Winkel aufweist.
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Abbildung 3 zeigt die Kegel-Kugel-Geometrie mit einer Gesamtlänge von 26,768 Zoll (679,9072 mm) und einem Kegelabschnitt mit einer Länge von 23,821 Zoll (605,0534 mm) und einer Basis mit einem Radius von 2,947 Zoll (74,8538 mm). Der Radius des Kugelabschnitts entspricht der Basis des Kegelabschnitts.
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Abbildung 4 zeigt die Geometrie der Kegelkugel mit Spalt, die der in Abbildung 3 gezeigten Kegelkugel entspricht, jedoch mit einem kleinen Spalt im Halbkugelabschnitt am Schnittpunkt mit dem Kegel. Der Spalt ist 0,25 Zoll (6,35 mm) breit und tief.
Die Simulationen wurden mit XFdtd durchgeführt, wobei für alle Ziele die Vernetzungsfunktion XACT Accurate Cell Technology verwendet wurde. Die Software verwendete eine Netzgröße, die 20 Zellen pro Wellenlänge bei der Simulationsfrequenz entspricht. Die Festpunktfunktion wurde für alle Geometrien verwendet und manuelle Festpunkte wurden an den Scheitelpunkten der Kegel und Keulen hinzugefügt. In einigen Fällen waren gute Ergebnisse mit einer niedrigeren Auflösung möglich, aber aus Gründen der Konsistenz werden alle Ergebnisse in derselben Auflösung dargestellt. Zur besseren Veranschaulichung der Simulationstreue ist in Abbildung 5 eine Ansicht des XACT-Netzes für die Single Ogive-Geometrie bei einer Auflösung von 20 Zellen pro Wellenlänge und einer Frequenz von 1,18 GHz dargestellt.
Bei den Simulationen wurde eine einfallende ebene Welle mit einer sinusförmigen Quelle verwendet, und die Daten wurden mit einer stationären Fernzonentransformation erfasst. Es hat sich gezeigt, dass diese Kombination die schnellsten Ergebnisse für diese Einzelfrequenzanalyse liefert. Aufgrund der in einer Rückstreu-RCS-Situation erforderlichen Ergebnisse ergab jede Simulation einen einzigen Datenpunkt für die Dateiausgabegrafik.
Die XStream-GPU-Lösung wurde zur Durchführung aller Simulationen verwendet, um die schnellsten Ergebnisse zu erzielen. Es wurde ein Parameter-Sweep mit einem einzigen Wert durchgeführt, wobei die Einfallsrichtung phi (Azimutwinkel) als Parameter in Schritten von einem Grad verwendet wurde. Die Ausgabe wurde mit einem benutzerdefinierten Skript verarbeitet, um die Rückstreu-RCS bei jedem Einfallswinkel zu extrahieren und die Ergebnisse in einem einzigen Diagramm darzustellen. Die Ausführungszeiten für die Simulation variierten je nach Frequenzgeometrie, benötigten aber im Allgemeinen weniger als 20 Sekunden pro Winkel für die niedrigeren Frequenzen und weniger als 5 Minuten pro Winkel für die höheren Frequenzen auf einer NVIDIA Tesla C1060 GPU-Karte.
Die Doppel-Ogive ist wie die Einfach-Ogive entlang der X-Achse ausgerichtet. Das stumpfere Ende der Ogive zeigt in die -X-Richtung, während das Ende, das der Krümmung der einfachen Ogive entspricht, in die +X-Richtung zeigt. Die Doppel-Ogive wurde bei 1,57 GHz und 9 GHz simuliert. Die RCS-Ergebnisse für beide Frequenzen und beide Polarisationen sind in den Abbildungen 10 bis 13 dargestellt. Die Übereinstimmung mit den Messungen ist im Allgemeinen gut, obwohl es einige Punkte gibt, wie z. B. in der Nähe der Breitseite für die niederfrequente horizontale Polarisation, die mehrere Dezibel Abweichung aufweisen. In der ursprünglich veröffentlichten Arbeit zeigten die Simulationen des Autors sehr ähnliche Ergebnisse wie die mit XFdtd erzielten.
Die Cone-Sphere-Geometrie liegt entlang der X-Achse und hat eine kegelförmige Spitze in -X-Richtung und ein kugelförmiges Ende in +X-Richtung. Die Cone-Sphere wurde bei 0,869 GHz und 9 GHz simuliert. Die RCS-Ergebnisse für beide Frequenzen und Polarisationen sind in den Abbildungen 14 bis 17 dargestellt. Bei der niedrigeren Frequenz gibt es eine gewisse Abweichung zwischen den simulierten und den gemessenen Ergebnissen, wenn sich der Einfallswinkel der Spitze des Kegels nähert. Eine sehr ähnliche Abweichung wurde bei den veröffentlichten Ergebnissen mit den Simulationen des Autors beobachtet. Außerdem ist die Geometrie bei 0 und 180 Grad für beide Polarisationen völlig symmetrisch, und die XFdtd-Ergebnisse stimmen an den Endpunkten überein, während die Messungen mehrere Dezibel Unterschied aufweisen, was es wahrscheinlich erscheinen lässt, dass die Messergebnisse bei diesen Winkeln einen gewissen Fehler aufweisen.
Die Kegel-Sphäre mit Spaltgeometrie schließlich ist wie die Kegel-Sphäre-Geometrie ausgerichtet. Die Struktur wurde ebenfalls bei denselben Frequenzen von 0,869 GHz und 9 GHz simuliert. Die Ergebnisse sind in den Abbildungen 18 bis 21 dargestellt und weisen ähnliche Eigenschaften auf wie die Ergebnisse der Kegel-Sphäre.
Referenzen
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H. T. G. Wang, M. L. Sanders, A. C. Woo, und M. J. Schuh. "Radar Cross Section Measurement Data, Electromagnetic Code Consortium Benchmark Targets". NWC TM 6985, Mai 1991.
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A. C. Woo, H. T.G. Wang, M. J. Schuh, und M. L. Sanders. "Benchmark Plate Radar Targets for the Validation of Computational Electromagnetics Programs". IEEE Antennas and Propagation Magazine, Bd. 35, Nr. 1, Februar 1993.
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