申请/专利权人：中国人民解放军63660部队

申请日：2021-09-22

公开（公告）日：2024-04-19

公开（公告）号：CN113868852B

主分类号：G06F30/20

分类号：G06F30/20

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.19#授权;2022.01.21#实质审查的生效;2021.12.31#公开

摘要：本发明属于电磁波传播特性分析技术领域，具体涉及一种开阔场地的电磁波近地面传播特性快速获取方法。本发明在建模阶段考虑发射和接收天线方向图特征参数，当求解目标区域满足天线远场条件时，采用镜像法计算传播过程，如此保证较高计算精度和较小内存占用空间的同时，可以快速计算出开阔场地电磁波近地面传播特性。本发明不仅能够计算开阔场地三维空间的电场分布特征，还可计算带有接收天线情况下的接收功率分布特征。

主权项：1.一种开阔场地电磁波近地面传播特性快速获取方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、获取发射和接收天线方向图特征参数；S2、确定发射和接收天线旋转角度和位置坐标；S3、确定地面相对介电常数和天线发射功率；S4、待求解的目标区域满足天线远场条件下确定求解的目标区域目标区域与发射天线的距离L须满足： 式中，λ为电磁波自由空间波长；Di为发射天线物理口径最大尺寸；Dr为接收天线物理口径最大尺寸;S5、对发射和接收天线方向图进行插值处理；S6、根据旋转角度计算发射和接收天线新的坐标系参数当天线坐标系和世界坐标系重合时，天线主轴指向为Z方向，即天线初始主轴单位矢量天线初始基准平面为XOY平面，用两个正交矢量和表示；当天线旋转操作时，天线主轴指向和基准平面在世界坐标系中发生变化，通过坐标系变换公式进行计算；天线坐标系旋转变换矩阵R表示为： 经过旋转操作后，天线新的坐标系主轴单位矢量表示为： 式中，T表示向量的转置；同理，天线新的坐标系基准平面正交矢量表示为： 通过式3、4、5求出发射天线和接收天线坐标系变换矩阵和新的坐标系参数；S7、计算发射天线坐标系下直达波电场对于直达波，其电场在发射天线坐标系下分解成和两个互相垂直的分量；目标点Px1,y1,z1的电场可通过下式得到： 式中，Pi为天线发射功率；rdir为发射天线距目标点的距离；和为发射天线的功率方向图函数；和为发射天线的相位方向图函数；为的单位矢量；为的单位矢量；为天线坐标系直达波发射角度，与发射天线及目标点的位置相关；其中通过下式计算得到： 式中，为发射天线至目标点的矢量；为发射天线主轴单位矢量，可由步骤S6计算给出； 计算过程分为两步，首先将目标点投影到天线基准平面上，计算发射天线至投影点矢量，然后根据该矢量与发射天线基准面的关系求解；具体步骤如下，发射天线至投影点矢量表示为： 当时， 当时， 式中，和是发射天线基准平面正交矢量，可由步骤S6计算给出；的取值范围为[0,360°；S8、计算世界坐标系下直达波电场为便于与反射波电场进行合成，需要将天线坐标系下直达波电场转换为世界坐标系下直达波电场转换计算公式如下： 其中 式中，Ri为发射天线坐标系变换矩阵；αi,βi,γi为S5步骤中发射天线绕世界坐标系各轴的旋转角度；S9、计算地面反射点坐标根据发射天线和目标点的几何关系计算出地面反射点坐标Qx2,y2,z2； 式中，S′为发射天线的地面镜像点；S10、计算反射点处发射天线坐标系下入射波电场根据步骤S9求出的地面反射点坐标，发射天线至反射点的距离rref0和矢量分别表示为： 同步骤S7求解出反射点处发射天线坐标系下入射波电场只需将式6中的rdir、和分别替换为rref0、和其中和或通过式8、9、10计算得到，需将式中rdir和分别替换为rref0和S11、计算反射点处世界坐标系下入射波电场同步骤S8，根据步骤S10计算的和式11计算出世界坐标系下入射波电场将式中的和分别替换为和即可；S12、将入射波电场分解为s波和p波；S13、计算菲涅尔反射系数根据菲涅尔反射定律，对于平整地面，s波和p波的反射系数分别表示为： 式中，εr为地面相对复介电常数，ψ为入射角，通过下式求出： S14、计算世界坐标系下反射波电场根据S12-S13计算的菲涅尔反射系数，由下式直接计算出世界坐标系下目标点的反射波电场：对于s波： 对于p波： 则反射波电场表示为： S15、获取目标区域处电场强度分布特征将步骤S8和步骤S15计算得到的直达波和反射波电场进行叠加，获得到目标处的总电场 应用上述步骤对目标区域处每个目标点的电场强度进行求解，获得到目标区域的电场强度分布特征；S16、计算直达波入射时接收天线感应电压计算直达波入射时接收天线感应电压首先需计算接收天线坐标系下直达波的入射角度与发射天线和接收天线的位置相关，计算方法同步骤S7，只需将式中和分别替换为和其中为接收天线主轴单位矢量，和是接收天线基准平面正交矢量，由步骤S6给出；直达波入射接收天线需考虑极化匹配问题，因此需通过下式将直达波电场分解为和两个互相垂直的分量； 其中 式中，Rr为接收天线坐标系变换矩阵，αr,βr,γr为S6步骤中发射天线绕世界坐标系各轴的旋转角度；直达波入射接收天线后，天线感应电压与直达波电场的关系为： 式中，Z0为接收天线特性阻抗；和为接收天线的功率方向图函数；和为接收天线的相位方向图函数；S17、计算反射波入射时接收天线感应电压同步骤S16，首先计算接收天线坐标系下反射波的入射角度与地面反射点和接收天线的位置相关，计算方法同步骤S7，只需将式中和分别替换为和同步骤S16，反射波入射接收天线也需考虑极化匹配问题，通过下式将反射波电场分解为和两个互相垂直的分量； 反射波入射接收天线后，天线感应电压与反射波电场的关系为： S18、计算目标区域处天线接收功率分布特征根据步骤S16和S17计算的感应电压，由下式计算出目标点天线接收功率： 应用上述步骤对目标区域处每个目标点的天线接收功率进行求解，即获得目标区域的天线接收功率分布特征。

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