Análisis RCS de cuerpos de revolución en 3D

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Los cuatro blancos consisten en pequeños cuerpos de revolución que fueron medidos a varias frecuencias para RCS monostático alrededor del eje azimutal. Los blancos fueron desarrollados por la NASA y publicados en [1]. Los resultados medidos utilizados en este ejemplo se extrajeron de la publicación posterior [2].

Las formas objetivo se eligieron para poner de relieve situaciones difíciles para el software de simulación, como las superficies suavemente curvadas. Los cuatro cuerpos de revolución simulados aquí incluyen una ojiva simple simétrica, una ojiva doble, una forma de medio cono y media esfera, y una forma similar de cono y esfera con un pequeño espacio que rodea el punto de conexión entre el cono y la esfera. Los cuatro objetivos se muestran en las figuras 1-4.

• La figura 1 muestra la geometría Single Ogive con una longitud total de 10 pulgadas (254 mm) y un radio máximo de 1 pulgada (25,4 mm).

• La figura 2 muestra la Ojiva Doble con una longitud máxima de 7,5 pulgadas (190,5 mm) y un radio máximo de 1 pulgada (25,4 mm). El lado +X de la Ojiva Doble coincide con la estructura de la Ojiva Simple, mientras que el lado -X tiene un ángulo mayor.

• La figura 3 muestra la geometría Cono-Esfera con una longitud total de 679,9072 mm (26,768 pulgadas) y la sección cónica con una longitud de 605,0534 mm (23,821 pulgadas) y una base de radio de 74,8538 mm (2,947 pulgadas). El radio de la sección esférica coincide con la base de la sección cónica.

• La figura 4 muestra la geometría Cono-esfera con hueco, que coincide con la Cono-esfera mostrada en la figura 3, pero con un pequeño hueco incluido en la sección de media esfera en la intersección con el cono. El hueco tiene una anchura y profundidad de 6,35 mm.
  
  

Las simulaciones se realizaron utilizando XFdtd con la función de mallado XACT Accurate Cell Technology utilizada para todos los objetivos. El software utilizó un tamaño de malla equivalente a 20 celdas por longitud de onda a la frecuencia de la simulación. Se utilizó la función de puntos fijos para todas las geometrías y se añadieron puntos fijos manuales en los vértices de las ojivas y los conos. En algunos casos se obtuvieron buenos resultados con una resolución inferior, pero por coherencia todos los resultados se muestran con la misma resolución. Para ilustrar mejor la fidelidad de la simulación, en la Figura 5 se muestra una vista de la malla XACT para la geometría Single Ogive con una resolución de 20 celdas por longitud de onda para una frecuencia de 1,18 GHz.

En las simulaciones se utilizó una onda plana incidente con una fuente sinusoidal y los datos se recogieron mediante una transformada de zona lejana en estado estacionario. Se demostró que esta combinación ofrecía los resultados más rápidos para este análisis de frecuencia única. Debido a los resultados requeridos en una situación de retrodispersión RCS, cada simulación produjo un único punto de datos para el gráfico de salida del archivo.

Se utilizó la solución XStream GPU para realizar todas las simulaciones con el fin de proporcionar los resultados más rápidos. Se realizó un barrido de parámetros de valor único con la dirección phi incidente (ángulo acimutal) como parámetro en incrementos de un grado. La salida se procesó con un script personalizado escrito para extraer el RCS de retrodispersión en cada ángulo incidente y trazar los resultados en un único gráfico. Los tiempos de ejecución de la simulación variaron en función de la geometría de frecuencias, pero en general requirieron menos de 20 segundos por ángulo para las frecuencias más bajas y menos de 5 minutos por ángulo para las frecuencias más altas en una tarjeta GPU NVIDIA Tesla C1060.

La ojiva doble está alineada a lo largo del eje X como la ojiva simple. El extremo más romo de la ojiva está orientado hacia la dirección -X, mientras que el extremo que coincide con la curvatura de la ojiva simple está orientado hacia la dirección +X. La ojiva doble se simuló a 1,57 GHz y 9 GHz. Los resultados de RCS para ambas frecuencias y polarizaciones se muestran en las figuras 10 a 13. La concordancia con las mediciones es generalmente buena. La concordancia con las mediciones es generalmente buena, aunque hay algunos puntos, como cerca del lado ancho para la polarización horizontal de baja frecuencia, que muestran varios decibelios de variación. En el trabajo original publicado, las simulaciones del autor mostraron resultados muy similares a los obtenidos con XFdtd.

La geometría Cone-Sphere se sitúa a lo largo del eje X y tiene un punto cónico orientado en la dirección -X y un extremo esférico en la dirección +X. La esfera cónica se simuló a 0,869 GHz y 9 GHz. Los resultados RCS para ambas frecuencias y polarizaciones se muestran en las Figuras 14 a 17. En la frecuencia más baja hay alguna variación entre los resultados simulados y medidos cuando el ángulo incidente se acerca al punto del cono. Se observó una variación muy similar en los resultados publicados con las simulaciones del autor. Además, la geometría es completamente simétrica a 0 y 180 grados para ambas polarizaciones y los resultados de XFdtd coinciden en los puntos extremos mientras que las mediciones muestran varios decibelios de diferencia, por lo que parece probable que haya algún error en los resultados medidos en esos ángulos.

Por último, la geometría Cono-Esfera con Gap se alinea como la geometría Cono-Esfera. La estructura se simuló también a las mismas frecuencias de 0,869 GHz y 9 GHz. Los resultados se muestran en las figuras 18 a 21 y tienen características similares a los resultados de la esfera cónica.

Referencias

1. H. T. G. Wang, M. L. Sanders, A. C. Woo y M. J. Schuh. "Radar Cross Section Measurement Data, Electromagnetic Code Consortium Benchmark Targets". NWC TM 6985, mayo de 1991.

2. A. C. Woo, H. T.G. Wang, M. J. Schuh y M. L. Sanders. "Benchmark Plate Radar Targets for the Validation of Computational Electromagnetics Programs". IEEE Antennas and Propagation Magazine, vol. 35, no. 1, febrero de 1993.