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Anwendungsbeispiele

RCS-Analyse von 3D-Drehkörpern

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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.

  • 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).

  • 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.

  • 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.

  • 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.

Abbildung 1Die einfache Ogive-Geometrie.

Abbildung 1: Die Single Ogive Geometrie.

 

Abbildung 2Die Doppel-Ogiven-Geometrie.

Abbildung 2: Die Doppel-Ogiven-Geometrie.

 

Abbildung 3Die Kegel-Sphären-Geometrie.

Abbildung 3: Die Kegel-Sphären-Geometrie.

 

Abbildung 4Die Kegelkugel mit Spaltgeometrie.

Abbildung 4: Die Kegel-Sphäre mit Spaltgeometrie.

 

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.

 

Abbildung 5A: Ansicht des XACT-Netzes für die Single Ogive-Geometrie.

Abbildung 5: Eine Ansicht des XACT-Netzes der Single Ogive-Geometrie.

 

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.

 

Abbildung 6Rückstreu-RCS für eine einzelne Ogive bei 1,18 GHz für vertikale Polarisation.

Abbildung 6: Rückstreu-RCS für Einzel-Ogive bei 1,18 GHz für vertikale Polarisation.

 

Abbildung 7Rückstreu-RCS für eine einzelne Ogive bei 1,18 GHz für horizontale Polarisation.

Abbildung 7: Rückstreu-RCS für Einzel-Ogive bei 1,18 GHz für horizontale Polarisation.

 

Die Single Ogive-Geometrie ist an der X-Achse ausgerichtet, so dass ein Einfallswinkel von null Grad auf die Spitze des Ogives trifft, während ein Winkel von 90 Grad die Seite trifft. Der Single Ogive wurde bei zwei Frequenzen simuliert: 1,18 GHz, wo die Ogive etwa eine Wellenlänge lang ist, und 9 GHz, wo die Ogive etwa 8 Wellenlängen lang ist. Die simulierten Ergebnisse im Vergleich zu gemessenen Ergebnissen aus den referenzierten Veröffentlichungen bei 1,18 GHz sind in den Abbildungen 6 und 7 für die vertikale bzw. horizontale Polarisation dargestellt. Die Ergebnisse zeigen im Allgemeinen eine gute Übereinstimmung über alle Einfallswinkel. In ähnlicher Weise sind die Ergebnisse für 9 GHz in den Abbildungen 8 und 9 dargestellt.

 

Abbildung 8Rückstreu-RCS für eine einzelne Ogive bei 9 GHz für vertikale Polarisation.

Abbildung 8: Rückstreu-RCS für eine einzelne Ogive bei 9 GHz für vertikale Polarisation.

 

Abbildung 9Rückstreu-RCS für eine einzelne Ogive bei 9 GHz für horizontale Polarisation.

Abbildung 9: Rückstreu-RCS für Einzel-Ogive bei 9 GHz für horizontale Polarisation.

 

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.

 

Abbildung 10Rückstreu-RCS von Double Ogive bei 1,57 GHz für vertikale Polarisation.

Abbildung 10: Rückstreu-RCS von Double Ogive bei 1,57 GHz für vertikale Polarisation.

 

Abbildung 11Rückstreu-RCS von Double Ogive bei 1,57 GHz für horizontale Polarisation.

Abbildung 11: Rückstreu-RCS von Double Ogive bei 1,57 GHz für horizontale Polarisation.

 

Abbildung 12Rückstreu-RCS von Double Ogive bei 9 GHz für vertikale Polarisation.

Abbildung 12: Rückstreu-RCS von Double Ogive bei 9 GHz für vertikale Polarisation.

 

Abbildung 13Rückstreu-RCS von Double Ogive bei 9 GHz für horizontale Polarisation.

Abbildung 13: Rückstreu-RCS von Double Ogive bei 9 GHz für horizontale Polarisation.

 

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.

 

Abbildung 14Rückstreu-RCS der Kegelkugel bei 0,869 GHz für vertikale Polarisation.

Abbildung 14: Rückstreu-RCS der Kegel-Sphäre bei 0,869 GHz für vertikale Polarisation.

 

Abbildung 15: Rückstreu-RCS der Kegelkugel bei 0,869 GHz für horizontale Polarisation.

Abbildung 15: Rückstreu-RCS der Kegel-Sphäre bei 0,869 GHz für horizontale Polarisation.

 

Abbildung 16Rückstreu-RCS der Kegelkugel bei 9 GHz für vertikale Polarisation.

Abbildung 16: Rückstreu-RCS von Cone-Sphere bei 9 GHz für vertikale Polarisation.

 

Abbildung 17Rückstreu-RCS der Kegelkugel bei 9 GHz für horizontale Polarisation.

Abbildung 17: Rückstreu-RCS von Cone-Sphere bei 9 GHz für horizontale Polarisation.

 

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.

 

Abbildung 18Rückstreu-RCS der Kegelkugel mit Spalt bei 0,869 GHz für vertikale Polarisation.

Abbildung 18: Rückstreu-RCS der Kegelkugel mit Spalt bei 0,869 GHz für vertikale Polarisation.

 

Abbildung 19Rückstreu-RCS der Kegelkugel mit Spalt bei 0,869 GHz für horizontale Polarisation.

Abbildung 19: Rückstreu-RCS der Kegelkugel mit Spalt bei 0,869 GHz für horizontale Polarisation.

 

Abbildung 20RCS für Kegel-Sphäre mit Spalt bei 9 GHz für vertikale Polarisation.

Abbildung 20: RCS für Kegel-Sphäre mit Spalt bei 9 GHz für vertikale Polarisation.

 

Abbildung 21RCS für Kegel-Sphäre mit Spalt bei 9 GHz für horizontale Polarisation.


Abbildung 21: RCS für Kegel-Sphäre mit Spalt bei 9 GHz für horizontale Polarisation.

 

Referenzen

  1. 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.

  2. 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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