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pp.633-643 633 Couplage du lancer de rayons et des interactions ar te- surface

pp.633-643 633 Couplage du lancer de rayons et des interactions ar te- surface pour une analyse 3D rapide de cibles complexes Grdgory RAMII~RE,*,** Paul Francois COMBES,** Henri-Jos6 MAMETSA,* Paul PITOT*** R6sum6 Nous pr(sentons une mdthode rapide hautes frd- quences d'analyse de cibles 30 complexes parfaitement conductrices par une technique de lancer de rayons. Un ensemble de rayons reprdsentant l'onde plane incidente est lancd vers la cible et chaque rayon est suivi au cours de ses interactions. Nous considdrons la diffusion des surfaces interceptdes au cours des rdflexions multiples, la diffraction des ar6tes, les interactions surface-ar~te et ar6te-surface. Toutes ces contributions sont sommdes en champ lointain afin d'dvaluer le rayonnement de la cible. Nous prdsentons des rdsultats de Surface Equivalente Radar (SER) pour un tribdre, un h(licoptbre, un dibdre et une tour. Mots el~s : Electromagn&isme, Cible radar, Trac6 rayon, Diffraction onde, Surface 6quivalente radar, Mod61e tridimensionnel, Conducteur parfait, R6flexion multiple, Optique g6om6trique, Optique ondulatoire. SHOOTING RAY AND EDGE-SURFACE INTERACTION COUPLING FOR FAST 3D ANALYSIS OF COMPLEX TARGETS Abstract A fast high frequency analysis method of complex 3D perfectly conducting targets is carried out using a Shoo- ting and Bouncing Ray (SBR) approach. A set of rays representating the incident plane wave is shot towards the target and each ray is followed according to reflec- tion and~or diffraction laws. The scattering of intercepted surfaces throughout the multiple bounces, the edge dif- fraction, the surface-edge and the edge-surface interac- tions are considered. All these contributions are summed up to compute the target far field. We present Radar Cross Section (RCS) results about an helicopter, a tower and corner reflectors. Key words : Electromagnetism, Radar target, Ray tracing, Wave diffraction, Radar cross section, Three-dimensional model, Ideal conductor, Multiple reflection, Geometrical optics, Wave optics Sommaire I. Introduction II. Le lancer de rayons III. Calcul du champ d~ aux r6flexions multiples IV. Champ d~ ~ la diffraction et aux interactions ar6te/surface V. Conclusion Bibliographie (19 r6f .) I. INTRODUCTION Depuis la fin des anndes 80, les techniques de lancer de rayons sont de plus en plus employ6es pour la r6alisa- tion de logiciels 61ectromagndtiques hautes fr6quences. Les 6tudes ont 6t6 principalement men6es pour calculer des Surfaces Equivalentes Radar (SER) [Ling et al. 89, Baldauf et al. 91, Rius et al. 93, Domingo et al. 95]. D'autres 6tudes ddcrivent la potentialit6 de ces tech- niques pour calculer des r6ponses impulsionnelles ou des images SAR (Synthetic Aperture Radar) d'objets rdalistes tels que des avions ou des v6hicules [Volakis 94, Bhalla et al. 98]. Ces logiciels 61ectromagn6tiques reposent sur le couplage des techniques de lancer de rayons et des mdthodes asymptotiques hautes fr6quences. La cible est repr6sent6e par un ensemble de facettes et d'arates, dans un modele tridimensionnel de CAO. Un ensemble de pinceaux constitu6s de quatre rayons, repr6- sentant une discr6tisation du front incident d'onde plan, est lanc6 vers la cible. L'dtude de la propagation de ces pinceaux permet de simuler la propagation de cette onde. A, chaque intersection d'un pinceau et de la cible, le pin- ceau peut gen6rer de multiples pinceaux secondaires : * Office National d't~tudes et de Recherches A6rospatiales - Ddpartement l~lectroMagndtisme et Radar 2, av. E. Belin - BP 4025 31055 Toulouse Cedex 4 France - e-mail : ramiere@onera.fr, mametsa@onecert.fr. ** Universit6 Paul Sabatier - Laboratoire Antennes, Dispositifs et Mat6riaux Micro-ondes LGET - 118, route de Narbonne 31062 Toulouse Cedex France- e-mail : pcombes@cict.fr. *** OKTAL, 2, rue de Boudeville 31100 Toulouse - e-mail : ppitot@oktal.fr. 1/11 ANN. TI~LI~COMMUN., 55, n ~ 11-12, 2000 634 des pinceaux r6fl6chis, des pinceaux diffract6s. Ces pin- ceaux secondaires peuvent ?~ leur tour g6n6rer de mul- tiples pinceaux. Dans la plupart des logiciels h base de rayons, environ 90 pour cent du temps de calcul est allou6 a la recherche de ces intersections. Donc, toutes les techniques d'acc616ration en lancer de rayons tentent d'optimiser ce calcul d'intersections [Pitot 93]. Les am6- liorations qui ont 6t6 apport6es ~ la technique classique de lancer de rayons sont les suivantes. D'une part grace des critbres d'<< antialiassage > > (code Specray d'OKTAL [Latger et al. 96]), il n'est pas n6cessaire de lancer un ensemble de pinceaux de m6me section. Par exemple, un de ces crit~res pent 6tre la plan6it6 des intersections. D'autre part il est possible de calculer dynamiquement les intersections par une technique de lancer de rayons < < paresseux > > [Berm6s 98], c'est-~-dire seulement si elles sont n6cessaires dans le calcul. Tout ceci conduit ~t une baisse trbs importante non seulement du temps de calcul mais aussi de l'occupation m6moire. En hautes fr6quences, plusieurs techniques d'acc616- ration ont 6t6 d6velopp6es pour calculer le champ rayonn6 par une cible parfaitement conductrice. La tech- nique GREr [Rius et al. 93 et 95] utilise les modules d'acc616ration d'une station de travail 3D graphique pour calculer la SER de cibles 3D. Les ph6nombnes pris en compte sont le rayonnement des surfaces intercept6es cal- cul6 par l'Optique Physique (oe), la diffraction des ar~tes calcul6e par la Th6orie Physique de la Diffraction (TPD) et les doubles r6flexions par l'Optique G6om6trique (OG) suivie de FoP. Une technique bas6e sur le lancer de rayons a 6t6 d6velopp6e par DEMACO [Ling et al. 89, Bal- dauf et al. 91]. Les m6mes ph6nombnes 61ectromagn6- tiques sont trait6s en prenant en compte les multiples r6ftexions (au-delh de deux) par FOG en incluant les effets de divergence, de polarisation et de coefficients de r6flexion sur mat6riaux. Une 6quipe de l'universit6 de Cantabrfa (Espagne) s'est int6ress6e h une technique cou- plant la th6orie des images et le trac6 de rayons [Domingo et al. 94 et 95]. Ces auteurs consid6rent les r6flexions doubles et s'int6ressent aussi aux interactions surface- ar6te (r6flexion-diffraction) et ar~te-surface (diffraction- rEflexion) qu'ils traitent en combinant FoG et la TPD pour des r6gions proches du c6ne de Keller. Dans cet article, une strat6gie coh6rente est pr6sent6e pour le calcul hautes fr6quences de SER de cibles 3D com- plexes parfaitement conductrices reposant sur notre tech- nique performante de lancer de rayons. La propagation du champ au cours des rebonds successifs est 6valu6e par I'OG et I'OP est utilis6e pour calculer la diffusion par la demibre surface intercept6e. La diffraction des ar~tes est trait6e par la TPD. Les interactions surface-ar~te (r6flexion(s)-diffrac- tion) sont 6valu6es par I'OG suivie de la TPD et les interac- tions ar&e-surface (diffraction-r6flexion(s)) par la Th6orie Uniforme de la Diffraction (TUD) suivie de FOG et pour la demibre r6flexion de FoP. Cette approche de la mod61isa- tion de la diffraction-r6flexion nous appara~t plus coh6- rente que celle de Domingo et al. ce qui sera montr6 dans la suite de cet article. G. RAMII~RE - COUPLAGE DU LANCER DE RAYONS ET DES INTERACTIONS ARt~TE-SURFACE Notre but est donc de construire une mdthode alliant la complexitd des interactions d'ordre sup(rieur - impor- tantes dans certaines configurations et pen traitdes dans la litt~rature - et l' efficacitd de la m~thode de lancer de rayons & notre disposition. Tout d'abord, nous prdsenterons la technique de lan- cer de rayons ainsi que les am61iorations qui lui ont 6t6 apport6es. Ensuite, nous d6velopperons la mod61isation adopt6e pour traiter les r6flexions multiples. Des r6sul- tats de validation sur un tribdre et de test pour un modble g6n6rique d'hdlicoptbre seront pr6sentds. Finalement, nous exposerons la mod61isation de la diffraction des ar~tes et les mod61isations des interactions surface-ar~te (r6flexion(s)-diffraction) et ar~te-surface (diffraction- r6fiexion(s)). Des r6sultats obtenus sur des cas de valida- tion tels qu'un dibdre et une tour pos6e sur une plaque 6paisse seront analys6s. II. LE LANCER DE RAYONS II.1. Aspect informatique La technique du lancer de rayons nous appara~t tout fait adapt6e h l'analyse de cibles 3D complexes. Depuis un point d'6mission, la cible est observ6e au travers d'une grille subdivis6e en pixels repr6sentant les direc- tions d'incidence (figure 1). Le point d'6mission est choisi suffisamment 61oign6 pour que tons les rayons passant par les pixels et arrivant sur la cible soient consi- d6r6s comme parallbles et que celle-ci soit donc 6clair6e par un front incident d'onde plane. Ainsi, un ensemble de pinceaux constitu6s chacun de quatre rayons paral- 16les ~ la direction de l'onde incidente plane est lanc6 vers la cible. FIG. 1. -- Principe du lancer de rayons. Shooting ray principle. L'6tude de la propagation de ces pinceaux permet de simuler la propagation de l'onde incidente. A chaque surface rencontr6e, le pinceau incident pourra g6nErer de multiples pinceaux secondaires : des pin- ceaux r6fldchis, des pinceaux diffractEs. Ces pinceaux ANN. TI~Lt~COMMUN., 55, n ~ 11-12, 2000 2/11 G. RAMII~RE -- COUPLAGE DU LANCER DE RAYONS ET DES INTERACTIONS ARI~TE-SURFACE secondaires pourront h leur tour gEnErer de multiples pinceaux et ainsi de suite jusqu'~ ce que la quantit6 d'Energie propagEe par un pinceau puisse atre nEgligEe dans le calcul global ou qu'il n'y ait plus d'intersection avec la cible. La principale difficult6 algorithmique du lancer de rayons est de determiner pour un pinceau la premiare surface (ou arete) de la cible interceptEe. Le point dur 6tant le hombre de calculs d'intersections entre un pin- ceau et une surface (ou arate), il semble uploads/Finance/ couplage-du-lancer-de-rayons-et-des-interactions-ar-tesurface-pour-une-analyse-3d-rapide-de-cibles-complexes.pdf