无人机蜂群宽频带电磁散射的高效计算

It is an important and challenging subject to do research on efficient computation for wide-band electromagnetic (EM) scattering from an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) swarm, which is extremely large, multi-scale and ultra-dense. This project will present an improved domain decomposition method (DDM) based on equivalence principle and body of revolution (EPA-BoR-improved) for solving the problem. The idea of spherical wave and T matrix will be introduced in the method for accelerating computation speed of EPA-BoR. The method can overcome the shortage of multilevel fast multipole algorithm (MLFMA) whose high level transfer matrices are computed slowly and the repeated property of UAV swarm cannot be used. Firstly, the precision and efficiency of presented method in free space will be researched. And then, the method will be expanded to compute the EM scattering from an UAV swarm with sea surface, combining with the half-space green function and the theory of rough surfaces respectively. Finally, the method will be used to compute a rotor-blade UAV swarm combining with quasi static method for obtaining the Rotor-Blade Modulation (RBM). Except for presenting a high performance algorithm, the project will also focus on how to compute the half-space green function in far field accurately and efficiently, how to compute the EM scattering from an extremely large rough surface efficiently and how to model the multiple Rotor-Blades in an instantaneous state. In conclusion, the algorithm theory and realistic software for efficient computing EM scattering with RBM from an UAV swarm on the sea will be developed in this project.

无人机蜂群是一个超电大、多尺度、密集分布问题，高效计算其宽频带电磁散射是一个重要且具挑战的课题。申请者将在之前工作的基础上提出改进的旋转对称等效源区域分解算法（EPA-BoR-improved），结合球面波和T矩阵等思想来进一步加速EPA-BoR计算。该算法能克服多层快速多级子方法（MLFMA）高层转移矩阵计算慢且不能利用结构旋转重复性的缺点。项目首先研究自由空间该算法的精度和效率；再研究该算法结合半空间格林函数和粗糙面理论高效一体化计算海面及其上方无人机蜂群电磁散射；最后研究该算法结合准静态方法高效计算多旋翼电磁散射旋翼调制效应(RBM)。本项目除提出高性能区域分解算法外，还将着重研究半空间格林函数远场计算精度和效率问题，超电大粗糙面电磁散射高效计算问题以及多旋翼无人机蜂群瞬间状态建模问题，最终完成一套高效计算海面无人机蜂群电磁散射及多旋翼调制效应的算法理论和实用软件。

无人机蜂群作战形式经过过去几年的发展，已经从理论走向战场，在过去几场局部战争中都能看到无人机蜂群作战的影子，高效准确的发现、捕获、摧毁无人机蜂群成为战争中的一个现实任务。无人机蜂群具有动态性、智能性和隐蔽性，研究无人机蜂群电磁散射特征对雷达设计具有重要的指导意义。针对该问题，本项目研究开发了无人机蜂群电磁散射高效计算方法，为无人机蜂群设计和雷达目标识别提供理论仿真数据。本项目研究出了一种面向自由空间、粗糙海面等不同环境中无人机蜂群高效算法，该算法能利用无人机蜂群结构特征，大大减少全波算法在计算该问题时的计算复杂度，实现了在普通个人计算机上精确计算1万架由微型无人机组成的无人机蜂群。本项目对项目负责人提出的EPA-ESS算法做了进一步改进，通过引进高阶ESS面，提升EPA-ESS算法计算效率，使之更适合计算无人机蜂群问题；针对密集导弹群问题，提出了重叠性EPA-ESS算法，克服原EPA-ESS方法在计算相距较近目标时等效面相交导致算法失效的问题；针对海面粗糙面上方无人机蜂群电磁散射计算，使用了高低频混合计算方法，实现对起伏海面和无人机蜂群电磁散射一体化高效计算；针对包含旋转部分的目标电磁散射计算，利用区域分解方法将旋转部分和非旋转部分分开，利用电磁场的唯一性、等效原理和无人机局部旋转不变的特点，采用多基函数联合求解的思想，高效计算了旋翼无人机蜂群包含旋翼运动时的电磁散射，为获取多旋翼无人机蜂群中的旋翼效应提供了仿真数据。本项目研究意义在于：通过本项目的研究，建立了一个无人机蜂群电磁散射快速计算平台，为进一步研究无人机蜂群目标的电磁散射特征提供了数据支撑。项目负责人在本基金研究成果的基础上，获批了一个地区基金，基于上述无人机蜂群电磁仿真平台，进一步研究海上无人机蜂群信道模型，为海上无人机蜂群的设计提供理论指导。