導(dǎo)語

盡管聽起來非常不可思議，但世界上最先進(jìn)的雷達(dá)系統(tǒng)仍然會(huì)被一堆樹葉和樹枝所阻擋。自然障礙物，特別是樹木覆蓋，給先進(jìn)的商業(yè)和國防測(cè)繪和探測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者帶來了復(fù)雜的挑戰(zhàn)。

（附件GIF動(dòng)圖：荷馬•辛普森動(dòng)圖-camoflage）
荷馬•辛普森正在展示一種“高科技”的偽裝技術(shù)

雷達(dá)散射截面（RCS）是衡量一個(gè)物體被雷達(dá)探測(cè)的程度。一個(gè)物體的電磁特征越大，就越容易被探測(cè)到。

雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者可以使用像Altair Feko™ 這樣的仿真技術(shù)來評(píng)估物體的可探測(cè)性，包括其散射性能，即測(cè)量物體暴露在雷達(dá)信號(hào)下時(shí)電磁能量是如何散射的。

雷達(dá)是如何工作的?

合成孔徑雷達(dá)（SAR）系統(tǒng)使用電磁波傳輸來照亮物體，并通過處理反射或回波成像。合成孔徑雷達(dá)發(fā)射器通常安裝在移動(dòng)的機(jī)載或衛(wèi)星平臺(tái)上，以便在遠(yuǎn)距離操作并收集地形數(shù)據(jù)。

從多個(gè)通道或掃描中收集的測(cè)量數(shù)據(jù)被表現(xiàn)為表面地形圖，以幫助探測(cè)和區(qū)分關(guān)鍵景觀特征，如斷層線、水體、森林和植被、冰川等。

一些技術(shù)性很強(qiáng)的任務(wù)包括分辨地圖地形中的樹葉、識(shí)別森林類型、辨別樹木高度，以及探測(cè)異常情況或隱藏在樹葉下的物體——被稱為葉簇穿透 （FOPEN）問題。

葉簇穿透的波段選擇

由于超高頻（UHF）和甚高頻（VHF）頻段中低頻的相關(guān)波長明顯大于樹葉和樹枝，它們的電磁傳輸可以很容易地穿透，使它們成為葉簇穿透的理想選擇。

然而，當(dāng)考慮到K 波段（18-27 GHz范圍）和Ka 波段（27-40 GHz范圍）的更高頻率，其波長在毫米量級(jí)，也就是大多數(shù)樹葉的物理尺寸，這些較小的波長會(huì)導(dǎo)致電磁波與樹葉的相互作用更大，從而增加散射和衰減效應(yīng)并降低測(cè)繪性能。

由于人們對(duì)使用更高的Ku 波段頻率（12-18 GHz）進(jìn)行葉簇穿透的興趣越來越大，越來越需要量化樹葉與Ku 波段頻率的相互作用，從而加強(qiáng)對(duì)商業(yè)和軍事領(lǐng)域應(yīng)用的技術(shù)支持。

總體而言，由于解決這些RCS 模擬需要大量的模型細(xì)節(jié)和大量的計(jì)算資源，這一重要領(lǐng)域在今天的建模領(lǐng)域基本上還沒有完美的解決方案。

Altair Feko 中的小楊樹模型

帶有Ku波段傳輸?shù)娜~簇穿透模型

桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室、美國能源部、國家核安全局和Altair 進(jìn)行了一項(xiàng)聯(lián)合研究，探索Ku波段傳輸?shù)娜~簇穿透問題。這項(xiàng)研究提出了一個(gè)葉簇穿透建模方法，引入了一系列新的創(chuàng)新和貢獻(xiàn)，解決了Ku 波段電磁波通過適度樹葉傳輸?shù)默F(xiàn)象。

高度詳細(xì)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）樹木模型是為楊樹和松樹創(chuàng)建的，由于其詳細(xì)程度，這些模型需要使用Altair 的網(wǎng)格工具進(jìn)行幾何編輯。 這些樹被導(dǎo)入到Altair Feko 中，在那里對(duì)L 波段和Ku 波段的葉簇穿透電磁行為進(jìn)行計(jì)算。

分析用的模型需要利用到Feko 和 HyperMesh 及其導(dǎo)入和導(dǎo)出通用文件格式的能力。這一階段大部分的準(zhǔn)備工作是在HyperMesh 中進(jìn)行的，清理幾何形狀后，可以獲得一個(gè)合理大小并且高質(zhì)量的網(wǎng)格模型。

柞樹枝葉模型細(xì)節(jié)

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葉簇穿透模型的研究結(jié)果

較低的頻率范圍和相應(yīng)的大波長通常被用于研究和實(shí)施葉簇穿透，因?yàn)檫@些低頻率范圍已被證明能有效地穿透密集的樹葉。然而，我們可以從不同的角度來看待這個(gè)問題。

與其穿透樹葉，不如通過樹葉的開口發(fā)射電磁信號(hào)，這樣就有機(jī)會(huì)為葉簇穿透采用更高的頻率。利用較高頻率的好處是，相關(guān)的較小波長提供了更精細(xì)的掃描分辨率，總體上有助于葉面特征和目標(biāo)探測(cè)。

此外，更高頻率的雷達(dá)通常更緊湊，可以節(jié)省大量的空間和重量，使它們?cè)跓o人駕駛航空系統(tǒng)（UAS）中特別有用。

葉簇穿透模擬的介紹性場(chǎng)景和結(jié)果證明，在Ku 波段有穿透適度樹葉的能力。這些結(jié)果對(duì)雷達(dá)工程師來說是重要的且可用的，因?yàn)樗_定了葉簇穿透是可行的，更高的頻率可能適用于適當(dāng)?shù)臉淙~場(chǎng)景。

利用Ku 波段的透射是可能的這一知識(shí)，可以開發(fā)出通過樹葉辨別目標(biāo)的技術(shù)。此外，這些數(shù)據(jù)還能讓人了解到現(xiàn)有技術(shù)的可用性和適用性。

例如，也許對(duì)于合成孔徑雷達(dá)來說，像斷層掃描這樣的三維技術(shù)用于"看到"樹葉下面，從樹葉的回波中區(qū)分出目標(biāo)的特征可能是有用的。另外，像地面動(dòng)目標(biāo)顯示（GMTI）這樣的其他雷達(dá)模式，在探測(cè)到目標(biāo)移動(dòng)的情況下，可能會(huì)在有適度樹葉的場(chǎng)景中成功應(yīng)用。

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Altair 雷達(dá)系統(tǒng)的RCS和散射仿真

（6月25日19:30-21:00）

內(nèi)容大綱：

1. 電磁隱身仿真物理概念
2. 電磁隱身仿真流程與演示
3. 電磁模型模型處理與求解器選擇
4. 電磁隱身典型算例:自動(dòng)駕駛、天線陣，低散射目標(biāo)等
5. 問題答疑

講師：王晨—Altair電磁仿真高級(jí)專家

• 負(fù)責(zé)Altair 電磁仿真軟件的技術(shù)支持工作，熟悉計(jì)算電磁學(xué)，編寫調(diào)試過矩量法與多層快速多極子算法的代碼，熟悉微波組件、天線、天線布局、電磁散射、電磁兼容等領(lǐng)域的仿真技術(shù)，電磁仿真行業(yè)從業(yè)15年，《FEKO 仿真原理與工程應(yīng)用》作者。

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2021 Altair 技術(shù)大會(huì)（2021 ATC）將在8月舉行。在會(huì)議同期，將舉辦Altair Feko 專場(chǎng)用戶大會(huì)，與您共同探討電磁仿真的先進(jìn)技術(shù)和解決方案，推動(dòng)復(fù)雜電子系統(tǒng)的發(fā)展，誠邀您的參與。
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