RCS-Analyse von Plattenzielen

Fordern Sie Projektdateien für dieses Beispiel an, indem Sie hier klicken.

Die vier Ziele bestehen aus kleinen flachen Platten, die bei 5,9 GHz für monostatische RCS in einem Elevationswinkel von 10 Grad (über der Oberfläche der Platte) und unterschiedlichen Azimutwinkeln gemessen wurden. Die Ziele wurden von der NASA entwickelt und in[1] veröffentlicht. Die in diesem Beispiel verwendeten Messergebnisse wurden aus der späteren Veröffentlichung extrahiert[2].

Die Formen wurden auf der Grundlage verschiedener Faktoren ausgewählt, die für Simulationssoftware als schwierig erachtet werden. Die Formen sind eine "Visitenkarte", die eine rechteckige Platte mit 2 x 3,5 Wellenlängen ist; ein "Keilzylinder", der eine dreieckige Kante und eine halbkreisförmige Kante aufweist, die miteinander verbunden sind; ein "Plattenzylinder", der eine Kombination der Visitenkarte mit der halbkreisförmigen Kante des Keilzylinders ist; und ein "Keilplattenzylinder", der eine Kombination der verschiedenen Formen ist. Die Figuren der vier Formen sind in den Figuren 1 - 4 dargestellt. Hinweis: Detailliertere Erläuterungen zu den einzelnen in diesem Beispiel verwendeten Figuren finden Sie unten. Für die Simulationen wurden die Platten mit einer Dicke von 41 mils betrachtet und waren perfekt leitfähig.

Abbildung 1

Die Visitenkartengeometrie.

Abbildung 2

Die Keilzylindergeometrie.

 

Abbildung 3

Die Plattenzylindergeometrie.

Abbildung 4

Die Keilplattenzylindergeometrie.

 

Die Simulationen wurden mit XFdtd mit der XACT-Netzfunktion durchgeführt, die für alle Ziele außer der "Visitenkarte" verwendet wird. Die Software verwendete für alle Simulationen eine Maschenweite, die 20 Zellen pro Wellenlänge bei der Zielfrequenz (5,9 GHz) entspricht, und die Festpunktfunktion wurde für alle Geometrien verwendet. In einigen Fällen waren gute Ergebnisse mit einer niedrigeren Auflösung möglich, aber aus Gründen der Konsistenz werden alle Ergebnisse in der gleichen Auflösung angezeigt. Um die Genauigkeit der Simulation besser zu veranschaulichen, ist in Abbildung 5 für die Keilplattenzylindergeometrie eine Ansicht des Netzes dargestellt.

Abbildung 5

Eine dreidimensionale Ansicht des Netzes der Keilplattenzylindergeometrie.

 

Die Simulationen verwendeten eine einfallende ebene Welle mit einer sinusförmigen Quelle und die Daten wurden mit einer stationären Fernzonentransformation gesammelt. Es zeigte sich, dass diese Kombination die schnellsten Ergebnisse für diese Einzelfrequenzanalyse liefert. Aufgrund der Ergebnisse, die in einer Backscatter-RCS-Situation erforderlich sind, erzeugte jede Simulation einen einzigen Datenpunkt für das Dateiausgabegrafik.

Die XStream GPU-Lösung wurde verwendet, um alle Simulationen durchzuführen und die schnellsten Ergebnisse zu erzielen. Ein einwertiger Parameter-Sweep wurde mit der einfallenden Phi-Richtung (Azimutwinkel) durchgeführt, die als Parameter in Schritten von einem Grad verwendet wird. Die Ausgabe wurde mit einem benutzerdefinierten Skript verarbeitet, das geschrieben wurde, um das Backscatter RCS bei jedem Einfallswinkel zu extrahieren und die Ergebnisse in einem einzigen Diagramm darzustellen. Jeder Einfallswinkel erforderte weniger als 20 Sekunden Ausführungszeit auf einer NVIDIA Quadro FX 1600M Grafikkarte.

Die Visitenkartengeometrie ist bereits auf das rechteckige FDTD-Gitter ausgerichtet, so dass die Verwendung der XACT-Netzfunktionen nicht erforderlich war. Die Geometrie ist so ausgerichtet, dass normalerweise ein Azimut von 0 Grad auf eine der kürzeren Seiten der Platte trifft. Die simulierten Ergebnisse im Vergleich zu den Messergebnissen aus den referenzierten Publikationen sind in den Abbildungen 6 und 7 für die vertikalen bzw. horizontalen Polarisationen dargestellt. Die Ergebnisse zeigen eine allgemein gute Übereinstimmung über alle Einfallswinkel. Die etwas niedrigeren simulierten RCS-Werte für die Mitte des vertikalen Polarisationsgraphen spiegelten die simulierten Ergebnisse wider, die auch von den Autoren der referenzierten Publikationen präsentiert wurden.

Abbildung 6

Simulierte und gemessene Rückstreuungs-RCS-Ergebnisse für die Visitenkarte bei 5,9 GHz, vertikale Polarisation.

Abbildung 7

Simulierte und gemessene Rückstreuungs-RCS-Ergebnisse für die Visitenkarte bei 5,9 GHz, horizontale Polarisation.

 

Der Keilzylinder stellt aufgrund der gekrümmten Oberflächen und der scharfen Spitze eine anspruchsvollere Struktur für die FDTD-Simulation dar. In der XFdtd-Simulation wurde am Scheitelpunkt des Keils ein Festpunkt hinzugefügt, um sicherzustellen, dass ein ausgewogenes Netz erzeugt wurde. Die RCS-Ergebnisse für beide Polarisationen sind in den Abbildungen 8 und 9 mit allgemein guter Übereinstimmung mit den veröffentlichten Messungen dargestellt.

Abbildung 8

Abbildung 8: Simulierte und gemessene Rückstreuungs-RCS-Ergebnisse für den Keilzylinder bei 5,9 GHz, vertikale Polarisation.

Abbildung 9

Simulierte und gemessene Rückstreuung RCS-Ergebnisse für den Keilzylinder bei 5,9 GHz, horizontale Polarisation.

 

Die Geometrie des Plattenzylinders baut sich aus der Form der Visitenkarte auf, fügt aber einen halbkreisförmigen Abschnitt auf einer der Stirnseiten hinzu. Die simulierten Ergebnisse stimmen wiederum gut mit den Messergebnissen überein, wie in den Abbildungen 10 und 11 zu sehen ist.

Abbildung 10

Simulierte und gemessene Rückstreuungs-RCS-Ergebnisse für den Plattenzylinder bei 5,9 GHz, vertikale Polarisation.

Abbildung 11

Simulierte und gemessene Rückstreuungsergebnisse RCS für den Plattenzylinder bei 5,9 GHz, horizontale Polarisation.

 

Schließlich kombiniert die Keilplattenzylindergeometrie die drei Strukturen mit dem Scheitelpunkt des Keils am 0-Grad-Punkt und der Mitte des Halbkreises bei 180 Grad. Die simulierten und gemessenen Ergebnisse zeigen wieder eine gute Übereinstimmung, wie in den Abbildungen 12 und 13 dargestellt.

Abbildung 12

Simulierte und gemessene Rückstreuung RCS-Ergebnisse für den Keilplattenzylinder bei 5,9 GHz, vertikale Polarisation.

Abbildung 13

Simulierte und gemessene Rückstreuung RCS-Ergebnisse für den Keilplattenzylinder bei 5,9 GHz, horizontale Polarisation.

 

Erläuterungen zu den Zahlen

  • Abbildung 1: Die Visitenkartengeometrie: Die X-Länge beträgt 3 Wellenlängen, während die Y-Länge 2 Wellenlängen (bei 5,9 GHz) beträgt. Die Dicke beträgt 41 mils.
  • Abbildung 2: Die Keilzylindergeometrie: Der Radius des Halbkreises beträgt 1 Wellenlänge, während die Länge einer Keilseite 2 Wellenlängen (bei 5,9 GHz) beträgt. Der Winkel des Keils beträgt 60 Grad, während die Dicke der Platte 41 mils beträgt.
  • Abbildung 3: Die Geometrie des Plattenzylinders: Der Radius des Halbkreisabschnitts beträgt 1 Wellenlänge, während der Plattenabschnitt 2,5 x 2 Wellenlängen (bei 5,9 GHz) beträgt. Die Dicke der Platte beträgt 41 mils.
  • Abbildung 4: Die Geometrie des Keilplattenzylinders: Der Radius des Halbkreisabschnitts beträgt 1 Wellenlänge. Der mittlere Abschnitt ist eine rechteckige Platte mit 1 x 2 Wellenlängen, während der Keilabschnitt eine Seitenlänge von 2 Wellenlängen (bei 5,9 GHz) aufweist. Der Winkel des Keils beträgt 60 Grad, während die Plattendicke 41 mils beträgt.
  • Abbildung 5: Eine dreidimensionale Ansicht des Keilplattenzylinder-Geometrienetzes zeigt die Zellgröße, die für die Simulationen verwendet wurde, die Plattendicke und die XACT-Netzfähigkeit.
  • Abbildung 6: Simulierte und gemessene Rückstreuungs-RCS-Ergebnisse für die Visitenkarte bei 5,9 GHz, vertikale Polarisation. Der Elevationswinkel lag 10 Grad über der Ebene der Platte und der Azimutwinkel wurde variiert. Null Grad stellt den normalen Einfall auf einer der kürzeren Seiten der Platte dar, während 90 Grad den normalen Einfall auf einer längeren Seite darstellen.
  • Abbildung 7: Simulierte und gemessene Rückstreuungs-RCS-Ergebnisse für die Visitenkarte bei 5,9 GHz, horizontale Polarisation. Der Elevationswinkel lag 10 Grad über der Ebene der Platte und der Azimutwinkel wurde variiert. Null Grad stellt den normalen Einfall auf einer der kürzeren Seiten der Platte dar, während 90 Grad den normalen Einfall auf einer längeren Seite darstellen.
  • Abbildung 8: Simulierte und gemessene Rückstreuungs-RCS-Ergebnisse für den Keilzylinder bei 5,9 GHz, vertikale Polarisation. Der Elevationswinkel lag 10 Grad über der Ebene der Platte und der Azimutwinkel wurde variiert. Null Grad stellt die normale Häufigkeit am Scheitelpunkt des Keils dar.
  • Abbildung 9: Simulierte und gemessene Rückstreuungs-RCS-Ergebnisse für den Keilzylinder bei 5,9 GHz, horizontale Polarisation. Der Elevationswinkel lag 10 Grad über der Ebene der Platte und der Azimutwinkel wurde variiert. Null Grad stellt die normale Häufigkeit am Scheitelpunkt des Keils dar.
  • Abbildung 10: Simulierte und gemessene Rückstreuungs-RCS-Ergebnisse für den Plattenzylinder bei 5,9 GHz, vertikale Polarisation. Der Elevationswinkel lag 10 Grad über der Ebene der Platte und der Azimutwinkel wurde variiert. Null Grad stellt den normalen Einfall auf die kurze gerade Seite der Platte dar, während 180 Grad die Mitte der kreisförmigen Kante darstellt.
  • Abbildung 11: Simulierte und gemessene Rückstreuungs-RCS-Ergebnisse für den Plattenzylinder bei 5,9 GHz, horizontale Polarisation. Der Elevationswinkel lag 10 Grad über der Ebene der Platte und der Azimutwinkel wurde variiert. Null Grad stellt den normalen Einfall auf die kurze gerade Seite der Platte dar, während 180 Grad die Mitte der kreisförmigen Kante darstellt.
  • Abbildung 12: Simulierte und gemessene Rückstreuungs-RCS-Ergebnisse für den Keilplattenzylinder bei 5,9 GHz, vertikale Polarisation. Der Elevationswinkel lag 10 Grad über der Ebene der Platte und der Azimutwinkel wurde variiert. Null Grad stellt den normalen Einfall auf den Scheitelpunkt des Keils dar, während 180 Grad den Mittelpunkt der kreisförmigen Kante darstellen.
  • Abbildung 13: Simulierte und gemessene Rückstreuungs-RCS-Ergebnisse für den Keilplattenzylinder bei 5,9 GHz, horizontale Polarisation. Der Elevationswinkel lag 10 Grad über der Ebene der Platte und der Azimutwinkel wurde variiert. Null Grad stellt den normalen Einfall auf den Scheitelpunkt des Keils dar, während 180 Grad den Mittelpunkt der kreisförmigen Kante darstellen.

Referenzen

  1. H. T. G. Wang, M. L. Sanders, A. C. Woo und M. J. Schuh. "Radar-Querschnittsmessdaten, elektromagnetische Code Consortium Benchmark-Ziele." NWC TM 6985, Mai 1991.
  2. A. C. Woo, H. T.G. Wang, M. J. Schuh und M. L. Sanders. "Benchmark Plate Radar Targets für die Validierung von Programmen zur Computational Electromagnetics." IEEE Antennas and Propagation Magazine, Bd. 34, Nr. 6, Dezember 1992.