电子学报 ›› 2022, Vol. 50 ›› Issue (10): 2329-2335.DOI: 10.12263/DZXB.20210241
收稿日期:
2021-02-09
修回日期:
2021-09-16
出版日期:
2022-10-25
作者简介:
基金资助:
XUE Bo-wen, GU Si-zhuo, PAN Xiao-min, SHENG Xin-qing()
Received:
2021-02-09
Revised:
2021-09-16
Online:
2022-10-25
Published:
2022-10-11
摘要:
基于骨架结构元(骨元)技术,提出一种灵活高效的电磁散射宽角度扫描算法.与已有骨元扫角算法不同,本文提出的算法对扫描角度抽样没有任何限制.算法将所有角度抽样对应的右端项向量空间用一组骨元向量来表达,通过求解一个超定方程得到任意角度抽样对应的右端项向量.对超定方程的求解进行了分析,研究了超定方程的求解精度与开销问题.讨论了超定方程引入对骨元扫角的影响.通过超低散射目标和电大复杂目标的雷达散射截面数值仿真结果,验证了所提算法的精确性和高效性.
中图分类号:
薛博文, 顾思卓, 潘小敏, 等. 一种灵活高效的电磁散射宽角度扫描算法[J]. 电子学报, 2022, 50(10): 2329-2335.
Bo-wen XUE, Si-zhuo GU, Xiao-min PAN, et al. Wide Angular Sweeping of Electromagnetic Scattering Based on Skeletonization[J]. Acta Electronica Sinica, 2022, 50(10): 2329-2335.
矩量法计算资源 | |||
---|---|---|---|
进入迭代前计算资源 | 求解单个右端项(GMRES) | ||
峰值内存/MB | 229.4 | 10.4 | |
时间/s | 27.5 | 14.1 | |
求解超定方程所需计算资源(最小二乘法) | |||
峰值内存/MB | 2.7 | ||
时间/s | 阶段一 | ||
阶段二 |
表 2 无人机模型计算时的计算资源
矩量法计算资源 | |||
---|---|---|---|
进入迭代前计算资源 | 求解单个右端项(GMRES) | ||
峰值内存/MB | 229.4 | 10.4 | |
时间/s | 27.5 | 14.1 | |
求解超定方程所需计算资源(最小二乘法) | |||
峰值内存/MB | 2.7 | ||
时间/s | 阶段一 | ||
阶段二 |
矩量法计算资源 | |||
---|---|---|---|
进入迭代前计算资源 | 求解单个右端项(GMRES) | ||
峰值内存/MB | 4 300.84 | 169.6 | |
时间/s | 5 310.7 | 8.4 | |
求解超定方程所需计算资源(最小二乘法) | |||
峰值内存/MB | 4.7 | ||
时间/s | 阶段一 | ||
阶段二 |
表3 天线阵列模型计算时的计算资源
矩量法计算资源 | |||
---|---|---|---|
进入迭代前计算资源 | 求解单个右端项(GMRES) | ||
峰值内存/MB | 4 300.84 | 169.6 | |
时间/s | 5 310.7 | 8.4 | |
求解超定方程所需计算资源(最小二乘法) | |||
峰值内存/MB | 4.7 | ||
时间/s | 阶段一 | ||
阶段二 |
矩量法计算资源 | |||
---|---|---|---|
进入迭代前计算资源 | 求解单个右端项(GMRES) | ||
峰值内存/MB | 21 811.2 | 1 128.5 | |
时间/s | 13 334.9 | 1 448.5 | |
求解超定方程所需计算资源(最小二乘法) | |||
峰值内存/MB | 3 558.3 | ||
时间/s | 阶段一 | 4.5 | |
阶段二 |
表4 无人机模型计算时的计算资源
矩量法计算资源 | |||
---|---|---|---|
进入迭代前计算资源 | 求解单个右端项(GMRES) | ||
峰值内存/MB | 21 811.2 | 1 128.5 | |
时间/s | 13 334.9 | 1 448.5 | |
求解超定方程所需计算资源(最小二乘法) | |||
峰值内存/MB | 3 558.3 | ||
时间/s | 阶段一 | 4.5 | |
阶段二 |
1 | 位寅生, 张国成, 朱永鹏, 等. 天发舰收高频雷达一阶海杂波电磁散射特性分析[J]. 电子学报, 2019, 47(3): 513-520. |
WEI Y S, ZHANG G C, ZHU Y P, et al. Characteristic analysis on the electromagnetic scattering of first-order sea clutter for shipborne high frequency sky-surface wave radar[J]. Acta Electronica Sinica, 2019, 47(3): 513-520. (in Chinese) | |
2 | 文贡坚, 朱国强, 殷红成, 等. 基于三维电磁散射参数化模型的SAR目标识别方法[J]. 雷达学报, 2017, 6(2): 115-135. |
WEN G J, ZHU G Q, YIN H C, et al. SAR ATR based on 3D parametric electromagnetic scattering model[J]. Journal of Radars, 2017, 6(2): 115-135. (in Chinese) | |
3 | 何姿, 陈如山. 三维随机粗糙海面与舰船的复合电磁特性的高频方法分析研究[J]. 雷达学报, 2019, 8(3): 318-325. |
HE Z, CHEN R S. Study on efficient high frequency method of electromagnetic scattering from ships above sea surface[J]. Journal of Radars, 2019, 8(3): 318-325. (in Chinese) | |
4 | 吴鹏飞, 许小剑. 地面平面场RCS测量异地定标误差分析[J]. 雷达学报, 2012, 1(1): 58-62. |
WU P F, XU X J. Error analysis of relative calibration for RCS measurement on ground plane range[J]. Journal of Radars, 2012, 1(1): 58-62. (in Chinese) | |
5 | 杨谦, 魏兵, 李林茜, 等. DGTD用于RCS计算的初步研究[J]. 雷达学报, 2015, 4(3): 361-366. |
YANG Q, WEI B, LI L Q, et al. Preliminary research on RCS using DGTD[J]. Journal of Radars, 2015, 4(3): 361-366. (in Chinese) | |
6 | 邢孟道, 林浩, 陈溅来, 等. 多平台合成孔径雷达成像算法综述[J]. 雷达学报, 2019, 8(6): 732-757. |
XING M D, LIN H, CHEN J L, et al. A review of imaging algorithms in multi-platform-borne synthetic aperture radar[J]. Journal of Radars, 2019, 8(6): 732-757. (in Chinese) | |
7 | 丁赤飚, 仇晓兰, 徐丰, 等. 合成孔径雷达三维成像: 从层析、阵列到微波视觉[J]. 雷达学报, 2019, 8(6): 693-709. |
DING C B, QIU X L, XU F, et al. Synthetic aperture radar three-dimensional imaging: From TomoSAR and array InSAR to microwave vision[J]. Journal of Radars, 2019, 8(6): 693-709. (in Chinese) | |
8 | DELGADO C, CATEDRA F. Fast monostatic RCS computation using the near-field sparse approximate inverse and the multilevel fast multipole algorithm[J]. The Applied Computational Electromagnetics Society Journal, 2020, 35(7): 735-741. |
9 | LIU W Q, HE M. Accelerating solution of volume-surface integral equations with multiple right-hand sides by improved skeletonization techniques[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2019, 18(10): 2006-2010. |
10 | LI M M, HU Y M, CHEN R S, et al. Electromagnetic modeling of moving mixed conductive and dielectric BoRs with an effective domain decomposition method[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2020, 68(12): 7978-7985. |
11 | ZHANG H L, SHA Y X, GUO X Y, et al. Efficient analysis of scattering by multiple moving objects using a tailored MLFMA[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2019, 67(3): 2023-2027. |
12 | PAN X M, SHENG X Q. Accurate and efficient evaluation of spatial electromagnetic responses of large scale targets[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2014, 62(9): 4746-4753. |
13 | 徐延林, 李振, 黄贤俊. 曲面共形阵列结构快速数值分析方法[J]. 电波科学学报, 2020, 35(4): 515-522. |
XU Y L, LI Z, HUANG X J. Efficient numerical analysis of curved conformal array[J]. Chinese Journal of Radio Science, 2020, 35(4): 515-522. (in Chinese) | |
14 | 甘泳机, 尹成友, 范启蒙, 等. 电大目标的对比度源逆散射成像方法研究[J]. 微波学报, 2020, 36(4): 25-32. |
GAN Y J, YIN C Y, FAN Q M, et al. Research on the method of contrast source inverse scattering imaging for electrically large objects[J]. Journal of Microwaves, 2020, 36(4): 25-32. (in Chinese) | |
15 | 潘小敏, 盛新庆. 一种高性能并行多层快速多极子算法[J]. 电子学报, 2010, 38(3): 580-584. |
PAN X M, SHENG X Q. A high-performance parallel MLFMA[J]. Acta Electronica Sinica, 2010, 38(3): 580-584. (in Chinese) | |
16 | 胡金花, 陈明生, 孔勐, 等. 压缩感知结合FMM分析目标宽角度电磁散射问题[J]. 微波学报, 2017, 33(5): 30-34. |
HU J H, CHEN M S, KONG M, et al. Hybrid method of compressed sensing and FMM for solving target electromagnetic scattering problems over a wide angle[J]. Journal of Microwaves, 2017, 33(5): 30-34. (in Chinese) | |
17 | 刘燕婻, 潘小敏, 盛新庆. 一种矩量法精度分析验证方法研究[J]. 北京理工大学学报, 2016, 36(7): 723-726. |
LIU Y N, PAN X M, SHENG X Q. A new method for accuracy analysis in method of moments[J]. Transactions of Beijing Institute of Technology, 2016, 36(7): 723-726. (in Chinese) | |
18 | WERNER D H, ALLARD R J. The simultaneous interpolation of antenna radiation patterns in both the spatial and frequency domains using model-based parameter estimation[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2000, 48(3): 383-392. |
19 | ERDEMLI Y E, GONG J, REDDY C J, et al. Fast RCS pattern fill using AWE technique[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1998, 46(11): 1752-1753. |
20 | HALKO N, MARTINSSON P G, TROPP J A. Finding structure with randomness: Probabilistic algorithms for constructing approximate matrix decompositions[J]. SIAM Review, 2011, 53(2): 217-288. |
21 | 徐自强, 李安琪, 范启蒙, 等. 基于线性抽样方法的定量逆散射成像方法研究[J]. 微波学报, 2018, 34(4): 22-28, 64. |
XU Z Q, LI A Q, FAN Q M, et al. Research on quantitative inverse scattering imaging based on linear sampling method[J]. Journal of Microwaves, 2018, 34(4): 22-28, 64. (in Chinese) | |
22 | HUANG S L, XU H, PAN X M, et al. Fast solution of linear systems with many right hand sides using MPI parallel interpolative decomposition[C]//2016 11th International Symposium on Antennas, Propagation and EM Theory(ISAPE). Guilin: IEEE, 2016: 523-526. |
23 | RAO S, WILTON D, GLISSON A. Electromagnetic scattering by surfaces of arbitrary shape[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1982, 30(3): 409-418. |
24 | PAN X M, SHENG X Q. Fast solution of linear systems with many right-hand sides based on skeletonization[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2016, 15: 301-304. |
25 | HUANG S L, PAN X M, SHENG X Q. Fast wide angular sweeping of scattering from large scale target with cavity[C]//2018 IEEE International Conference on Computational Electromagnetics. Chengdu: IEEE, 2018: 1-3. |
26 | MADSEN K. An algorithm for minimax solution of overdetermined systems of non-linear equations[J]. IMA Journal of Applied Mathematics, 1975, 16(3): 321-328. |
27 | HASTIE T, TIBSHIRANI R, FRIEDMAN J H. The Elements of Statistical Learning: Data Mining, Inference, and Prediction[M]. 2nd ed. New York: Springer, 2009. |
[1] | 金旺, 杨玉峰, 李清亮, 赵有, 吴健. 曲靖非相干散射雷达在空间碎片探测中的应用[J]. 电子学报, 2018, 46(1): 252-256. |
[2] | 程永强;秦玉亮;李彦鹏;王宏强;黎 湘. 平面隙缝阵列天线的宽带电磁散射特性分析[J]. 电子学报, 2010, 38(9): 2046-2051. |
[3] | 毛仕春;吴振森;邢赞扬. 二维各向异性椭圆柱的电磁散射[J]. 电子学报, 2010, 38(3): 529-533. |
[4] | 范红旗;王 胜;祝依龙;付 强. 相位梯度法计算近场角闪烁的解析式[J]. 电子学报, 2009, 37(5): 937-941. |
[5] | 杨利霞;王君;王 刚. 基于拉氏变换原理的三维磁化等离子 体电磁散射FDTD分析[J]. 电子学报, 2009, 37(12): 2711-2715. |
[6] | 陈涌频, 聂在平, 胡 俊. 高效求解任意非常规目标电磁散射的 修正电场积分方程方法[J]. 电子学报, 2008, 36(3): 562-565. |
[7] | 彭 朕, 盛新庆. 有理函数逼近技术在合元极技术中的应用[J]. 电子学报, 2008, 36(3): 446-452. |
[8] | 袁 军, 刘其中, 郭景丽. 一种基于矢量有限元与多层快速多极子技术的 电磁散射快速并行算法[J]. 电子学报, 2008, 36(3): 520-526. |
[9] | 杨正龙;金 林;李蔚清. 基于GPU的图形电磁计算加速算法[J]. 电子学报, 2007, 35(6): 1056-1060. |
[10] | 吕志清;安 翔;洪 伟. 电磁散射的拉格朗日乘子区域分解算法[J]. 电子学报, 2007, 35(6): 1069-1073. |
[11] | 王运华, 郭立新, 吴振森. 改进的一维分形模型在海面电磁散射中的应用[J]. 电子学报, 2007, 35(3): 478-483. |
[12] | 关鑫璞;王少刚;王党卫;马兴义;粟 毅. 一种解决MOO算法求解任意形状导电目标 瞬态散射稳定性的方法[J]. 电子学报, 2007, 35(3): 430-434. |
[13] | 潘小敏, 盛新庆. 一种多层快速多极子的高效并行方案[J]. 电子学报, 2007, 35(3): 567-571. |
[14] | 刘曙光, 张晓娟. 高阶MoM及其与PO的混合法计算电磁散射问题[J]. 电子学报, 2007, 35(12): 2376-2379. |
[15] | 阙肖峰, 聂在平, 胡俊. 混合场积分方程结合MLFMA分析导体介质复合目标电磁散射问题[J]. 电子学报, 2007, 35(11): 2062-2066. |
阅读次数 | ||||||
全文 |
|
|||||
摘要 |
|
|||||