[发明专利]任意三维非共形椭球隐身斗篷的设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及任意三维非共形椭球隐身斗篷的设计方法。

背景技术

2006年，Pendry等提出坐标变换理论，并设计出对应变换区域(斗篷区域)所需的非均匀各向异性媒介的介电常数与磁导率，使电磁波在所设计媒介中沿预期路径传播，以实现电磁波的人为控制。这种通过控制电磁波传播路径，使其在想要隐身物体周围实现绕射，进而实现视觉上的隐身；同时，对外部观测者造成物体并不存在的错觉，受到各个国家的广泛关注，特别在飞行器的电磁隐身方面，有重大意义。Pendry等提出坐标变换理论后，又分别设计出圆柱形隐身斗篷、球形隐身斗篷、以及分层式圆柱形隐身斗篷的相对介电常数与磁导率，并给出实验结果。受Pendry的设计影响，Ma Hua等设计出椭圆坐标系下的椭圆柱形隐身斗篷，并在此基础上，设计了简化参数方程的椭圆柱形斗篷；Jiang等设计出直角坐标系下的椭圆柱形隐身斗篷；顾超等设计出了任意多面体的隐身斗篷；吴群等设计出任意正N边形的棱柱隐身罩；Chen等基于亥姆赫兹方程设计的任意边界的隐身斗篷；Hu等基于拉普拉斯方程设计出任意边界的非共形隐身斗篷；吴群等首次设计出三维椭球体的隐身斗篷。以上斗篷的设计都是内外边界共形的，并且有的设计的斗篷由于形状不具有对称等性质造成计算量十分庞大，虽然能实现隐身功能，但制备起来就十分麻烦。所以椭球体斗篷就是因为具有特别的对称性质可以大大简化计算量而受到广泛研究，但是目前关于椭圆形隐身斗篷的研究，都只局限于内外椭圆共形，即内外边界在x，y、z轴有相同的轴比，吴群等设计的三维椭球斗篷虽然实现了椭球的任意轴比，但未研究内外边界不共形时的椭球斗篷表现，共形的内外椭球斗篷代表着内外椭球边界形状无法任意选择，大大降低其适用性。

发明内容

本发明主要解决的问题是，针对现有的椭球隐身斗篷在内外边界不共形时，其适用性降低的缺陷，提供一种内外椭球边界形状可以任意选择情况下依然可以实现物体隐身的方法。

本发明解决该问题所采用的技术方案是：利用坐标变换和张量分析的方法；其特征在于：

理论上，通过建立椭球斗篷模型，要推导原始空间中斗篷材料的介电常数和磁导率与变换空间介电常数和磁导率的关系，先获取了基于坐标变换的3×3的Jacobian矩阵，最后推导出变换空间中的介电常数与磁导率张量公式；

仿真中，构建三维的非共形椭球斗篷模型，由Comsol Multiphysics得到电场z方向幅值的三维分布图；在Comsol Multiphysics进行仿真之前，借助Maple软件理论推导出简化替代参数的变换空间中的介电常数与磁导率张量公式，进而得到我们在Comsol仿真时所需要的设置参数与变量；

最后，通过设定不同参数值和改变入射条件得到椭球内外边界轴比不同的一系列电场图，根据比较这些图，得到我们设计的斗篷都具有隐身性能，也从侧面证明了我们设计的这种轴比取任意值的椭球斗篷确实具有现实可行性。

本发明中用来描述斗篷材料特性的两个物理量ε、μ都是张量，并且分别都是3×3的矩阵。

本发明不仅要椭球内外边界的在三个坐标轴的轴比取值任意，而且内外椭球在相同轴的轴比取值也是任意，具有一定的灵活性；内层、外层边界椭球的数学表达式不同，还包含内层、外层边界椭球数学表达式中分别在x,y,z轴的截距取值是任意的。

本发明中需要利用张量分析和坐标变换理论，得到原始空间与变换空间的变换关系，这种关系可以用Jacobian矩阵来刻画，再根据麦克斯韦方程组在坐标变换前后的形式不变性，代入斗篷模型的具体物理量得到原始空间与变换空间的介电常数与磁导率张量之间的关系。

本发明确定了在内外层椭球边界轴比不同的条件下，通过设定不同参数和改变入射条件等，得到不同的电场分布图，依据图的结果以及相互之间的对比，得到我们设计的斗篷都具有隐身性能。。

实施本发明的技术方案，具有以下有益效果：在描述任意三维非共形椭球隐身斗篷特性时，除了需要介电常数和磁导率两个本构参数外，还需要反映在真实复杂环境中的电场传播分布，为此考虑到入射波类型、不同入射角度以及介电损耗存在对于实际的人工电磁材料而言是无法避免的，因此，研究介电损耗存在以及不同入射角度和入射波类型对于非共形椭球斗篷的隐身效果具有一定的重要性，所以本发明最后得到的电场的电场场分布图是综合考虑以上因素，这对于现实电磁条件下实现斗篷隐身性能具有很重要的作用。

附图说明

图1三维非共形椭球斗篷的x‐y横截面示意图。

图2三维非共形椭球斗篷全波仿真的计算区域，(a)三维立体图(b)x‐y截面图。