應(yīng)用于復(fù)雜目標(biāo)多次散射的雷達散射截面快速獲取方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種應(yīng)用于復(fù)雜目標(biāo)多次散射的雷達散射截面快速獲取方法，屬于雷達散射截面仿真計算領(lǐng)域。本發(fā)明首先采用改進的射線跟蹤法確定目標(biāo)模型的多次反射RCS，然后根據(jù)現(xiàn)有方法確定目標(biāo)模型的單次反射RCS，最后將兩者疊加，得到總RCS。本發(fā)明具有計算速度高，內(nèi)存消耗少的優(yōu)點；由于考慮了多次反射的效應(yīng)，射線跟蹤法能夠很好的模擬高頻條件下的目標(biāo)多次反射效應(yīng)，大大提高了計算多次反射線路徑的效率，提高計算目標(biāo)多次散射的RCS速度。
【專利說明】應(yīng)用于復(fù)雜目標(biāo)多次散射的雷達散射截面快速獲取方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及到一種應(yīng)用于復(fù)雜目標(biāo)多次反射的雷達散射截面(RCS Radar CrossSection)快速獲取方法，屬于雷達散射截面仿真計算領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]雷達散射截面的大小直接關(guān)系到復(fù)雜目標(biāo)的隱身性能，對復(fù)雜目標(biāo)的雷達散射截面進行分析可以對復(fù)雜目標(biāo)的RCS采取有針對性的減縮措施；同時對復(fù)雜目標(biāo)進行一維成像、二維成像、合成孔徑雷達成像仿真和目標(biāo)識別都需要進行雷達散射截面計算。RCS計算根據(jù)目標(biāo)的電尺寸大小通常有低頻方法，如:矩量法、有限元法等；以及高頻方法，如:物理光學(xué)法、幾何光學(xué)法、圖像電磁計算法等。但是對于有角反射器和腔體結(jié)構(gòu)的目標(biāo)，為了提高RCS計算精度，需要使用射線跟蹤進行計算。
[0003]射線跟蹤法是一種高頻近似方法。傳統(tǒng)的射線跟蹤法將入射電磁場離散成為射線，對每條射線的散射路徑進行追蹤，可以對一般耦合效應(yīng)進行合理的計算和預(yù)估，從而成為處理耦合散射效應(yīng)的經(jīng)典方法。相對于計算電磁學(xué)方法而言，射線跟蹤法對求解電大尺寸目標(biāo)的散射問題具有計算速度高，內(nèi)存消耗少等優(yōu)點，然而射線跟蹤法計算效率低下。當(dāng)目標(biāo)的尺寸和復(fù)雜度增加時，都會使計算時間大大延長。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是為了解決雷達散射截面計算中，復(fù)雜目標(biāo)多次散射計算射線跟蹤耗時巨大的問題，提出了一種能夠快速進行多次射線跟蹤，并能保證雷達散射截面計算結(jié)果滿足工程使用精度的有效方法。
[0005]復(fù)雜目標(biāo)的電磁散射特性計算，是根據(jù)目標(biāo)的幾何模型，采用電磁散射計算方法，計算該復(fù)雜目標(biāo)的RCS。本發(fā)明基于射線跟蹤法實現(xiàn)了對復(fù)雜目標(biāo)多次反射RCS計算。本方法通過結(jié)合幾何光學(xué)法和物理光學(xué)法計算目標(biāo)模型的RCS，復(fù)雜目標(biāo)對電磁波的單次反射貢獻通過物理光學(xué)積分直接給出，多次反射RCS則通過多次的幾何光學(xué)射線跟蹤和最后的物理光學(xué)積分給出。
[0006]本發(fā)明提供的應(yīng)用于復(fù)雜目標(biāo)多次散射的雷達散射截面快速獲取方法，具體步驟包括如下:
[0007]步驟1:讀入三維復(fù)雜目標(biāo)的三角面元或四邊形面元模型。
[0008]步驟2:通過光照的方式計算目標(biāo)模型內(nèi)所有面元的法向矢量和深度值。
[0009]步驟3:模擬入射平面電磁波，以xy平面為等相位面發(fā)射射線，對目標(biāo)模型的所有面元按順序掃描，確定目標(biāo)模型內(nèi)所有面元中心的空間坐標(biāo)與各個面元法向分量及深度值的對應(yīng)關(guān)系。
[0010]步驟4:由目標(biāo)模型所有面元的法向分量和入射平面電磁波的入射方向，求出所有面元內(nèi)入射線的反射線方向。
[0011]步驟5:找到所有面元內(nèi)反射線方向在目標(biāo)模型的投影射線，依次得到投影射線上每個面元的坐標(biāo)值，即面元位置。在進行面元搜索時，根據(jù)反射線的斜率判斷搜索方向，在投影射線上依次找到所有面元。
[0012]步驟6:根據(jù)投影射線上各個面元的位置，分別求出反射線與此面元所在平面的交點，并判斷該交點是否在此面元內(nèi)，如果在此面元內(nèi)，就代表反射線與目標(biāo)模型存在交點。
[0013]步驟7:重復(fù)步驟4至步驟6，直至反射線與目標(biāo)模型無交點，則利用物理光學(xué)方法計算反射路徑中每一次反射的交點所在面元的RCS。
[0014]步驟8:將每一次反射的交點所在面元的RCS進行疊加，得到目標(biāo)模型的多次反射RCS。
[0015]步驟9:將多次反射RCS與單次反射的RCS相疊加得到目標(biāo)模型的總RCS。所述單次反射RCS通過物理光學(xué)積分直接給出。
[0016]本發(fā)明的優(yōu)點在于:
[0017](I)對求解電大尺寸目標(biāo)的散射問題，射線跟蹤法相對于計算電磁線方法而言，具有計算速度高，內(nèi)存消耗少的優(yōu)點。
[0018](2)由于考慮了多次反射的效應(yīng)，射線跟蹤法能夠很好的模擬高頻條件下的目標(biāo)多次反射效應(yīng)，如二面角，三面角結(jié)構(gòu)。
[0019](3)改進了傳統(tǒng)射線跟蹤法的跟蹤反射線的算法，大大提高了計算多次反射線路徑的效率，提高計算目標(biāo)多次散射的RCS速度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明的雷達散射截面計算方法的流程圖；
[0021]圖2為本發(fā)明仿真方法讀入90°角反射器目標(biāo)模型及其與坐標(biāo)軸位置關(guān)系示意圖；
[0022]圖3為本發(fā)明仿真方法的相鄰入射線相似的反射路徑示意圖；
[0023]圖4為本發(fā)明仿真方法的入射線與目標(biāo)模型的某個面元所在平面相交示意圖；
[0024]圖5為本發(fā)明仿真方法的確定入射線與面元所在平面的交點是否在面元內(nèi)示意圖；
[0025]圖6為本發(fā)明仿真方法的90° 二面角反射器的雷達散射截面仿真結(jié)果。
【具體實施方式】
[0026]下面將結(jié)合附圖，以90°角反射器為仿真實例對本發(fā)明作進一步的詳細(xì)說明。本發(fā)明是一種應(yīng)用于復(fù)雜目標(biāo)的RCS快速獲取方法，所述獲取方法首先采用射線跟蹤的方式對目標(biāo)模型中多次反射RCS進行計算，結(jié)合單次反射RCS，二者疊加得到目標(biāo)模型的總RCS，如圖1所示流程，具體包括以下幾個步驟:
[0027]步驟1:讀入三維復(fù)雜目標(biāo)的三角面元或四邊形面元模型。
[0028]以90°角反射器為仿真實例中的目標(biāo)模型，其模型與xyz坐標(biāo)軸的位置示意圖如圖2所示，xy平面為紙面平面，z軸方向垂直于紙面向外，角反射器的棱邊與y軸重合，棱邊下端的頂點與坐標(biāo)原點重合。
[0029]步驟2:通過光照，根據(jù)計算機顯示卡中目標(biāo)模型的反射光強度，計算目標(biāo)模型所有面元的法向矢量和深度值。在不同光照條件下對標(biāo)準(zhǔn)純白色材質(zhì)的目標(biāo)模型顯示兩次。第一次顯示是在X軸、y軸、Z軸分別設(shè)置紅綠藍三種顏色的方向光源，第二次顯示是在-X軸、_y軸處分別設(shè)置紅、綠兩種衍射的方向光源。根據(jù)目標(biāo)模型所有面元對方向光源的反射光強度得到各自的法向矢量和深度值。
[0030]步驟3:模擬入射平面電磁波，以xy平面為等相位面發(fā)射射線，對目標(biāo)模型的所有面元按順序掃描，確定目標(biāo)模型所有面元中心的空間坐標(biāo)與各個面元法向分量及深度值的對應(yīng)關(guān)系。
[0031]步驟4:由目標(biāo)模型所有面元的法向分量和入射平面電磁波的入射方向，可由以下等式確定所有面元上入射線的反射線方向:
[0032]S = 1-1^ih η ) η
[0033]其中，對于組成目標(biāo)模型的每個面元，〗為該面元的反射線方向單位矢量，？為該面元的入射線方向單位矢量，η為該面元法向分量的單位矢量。反射線作為下一次的入射線在目標(biāo)模型上再次反射，依此類推直到射線射出目標(biāo)模型為止。對于每一條入射線，都將得到一系列的入射點及反射線方向。由于每條射線均視為由某個面元中心點作為起始點，故判斷射線與面元相交時，只需考慮交點是否在面元內(nèi)即可，交點位置的計算精度可控制在一個面元內(nèi)。
[0034]對于平滑、少棱邊的目標(biāo)模型，相鄰的入射線通常具有相同或相似的反射路徑。如圖3所示，表示三條相鄰的方向相同的入射線，A、B、C表示三個面元。由圖可以看出，這三條入射線的反射路徑是相同的。入射線Ri ,_經(jīng)過對目標(biāo)模型所有面元進行遍歷的求交點運算，可 以得到它的反射路徑為…A ),其中An表示與入射線Ri;j第η次相艾的面元。在求解Ru的相鄰入射線RiIj和Ri+1，j的反射路徑時，可參考Ru的反射路\^ΑΛ……4)，首先取出目標(biāo)模型上某個面元Ai，判斷該面元Ai與入射線Ri^.和
Ri+u是否相交，如果相交則求出入射線R1-U和Ri+1」_與面元Ai相交后的反射線方向，如果不相交則以面元Ai為中心，向四周擴展一個相鄰面元，判斷該相鄰面元與Ri^.和Ri+1，j是否相交。如果入射線R1-U和Ri+1，」與面元Ai的相鄰面元相交，則繼續(xù)取出面元Ai+1進行相交判斷，重復(fù)以上的過程，直到某條入射線不與任何一個面元相交，則退出以上過程，進入步驟5對目標(biāo)模型所有面元進行遍歷求交點計算。
[0035]步驟5:找到反射線方向在目標(biāo)模型的投影射線，依次得到投影射線上每個面元的坐標(biāo)值。
[0036]在查找投影射線上所有面元時，根據(jù)反射線的斜率判斷搜索方向。
[0037]如果將反射線方向在目標(biāo)模型上的投影射線計算出來，那么只需計算投影射線上所有面元與反射線的交點。如果通過遍歷目標(biāo)模型所有面元依次求其與反射線交點，計算復(fù)雜度約為N2，而沿著投影射線計算交點的計算復(fù)雜度為N，N2為目標(biāo)模型面元的個數(shù)。
[0038]在求解反射線方向在目標(biāo)模型上的投影射線的過程中，首先需要計算投影射線的斜率，然后依次給出橫坐標(biāo)或者縱坐標(biāo)計算出投影射線上所有面元的縱坐標(biāo)或者橫坐標(biāo)，也就得到了投影射線上的所有面元的位置。在選擇根據(jù)橫坐標(biāo)還是縱坐標(biāo)作為依次搜索的參數(shù)時，應(yīng)該以完全覆蓋投影射線經(jīng)過所有面元為標(biāo)準(zhǔn)。因此將橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)都作為輸入?yún)?shù)依次進行一次搜索，得到結(jié)果的合集才能得到投影射線經(jīng)過的所有面元。在保證完整性的基礎(chǔ)上，計算復(fù)雜度最大變?yōu)?N。同時為了提高搜索的效率，以投影射線的起點為中心，將目標(biāo)模型大致分為左下，左上，右上，右下四個部分，根據(jù)投影射線的方向和斜率進行判斷，確定應(yīng)該在四個部分中的哪一部分進行搜索，此時計算復(fù)雜度會在之前的基礎(chǔ)上減小為N/2。
[0039]步驟6:根據(jù)投影射線上各個面元的位置，分別求出反射線和此面元所在平面的交點，并判斷該交點是否在此面元內(nèi)，如果在此面元內(nèi)，就代表反射線與目標(biāo)模型存在交點。找到第一個符合要求的交點即跳出循環(huán)，進行下一條入射線反射路徑的搜索。
[0040]根據(jù)目標(biāo)模型的每個面元的中心坐標(biāo)和法向分量，可以獲得此面元所在的平面方程。如果入射線不與平面平行，則入射線與該平面存在交點。如圖4所示，已知入射線L的起點為m(mx, my, mz),且入射線方向單位矢量為\ vy, vz),點n(nx, ny, nz)為面元的中心，在平面P上，且法向分量的單位矢量為Vp(vpx，vpy, vpz)，可求出入射線與此面元所在平面P的交點O的坐標(biāo)(X，y, z) ο
[0041]將入射線方程寫成參數(shù)方程形式，t為參數(shù)，即有:
[0042]
【權(quán)利要求】
1.應(yīng)用于復(fù)雜目標(biāo)多次散射的雷達散射截面快速獲取方法，其特征在于:所述方法包括如下步驟: 步驟1:讀入三維復(fù)雜目標(biāo)的三角面元或四邊形面元模型； 步驟2:通過光照的方式計算目標(biāo)模型內(nèi)所有面元的法向矢量和深度值； 步驟3:模擬入射平面電磁波，以xy平面為等相位面發(fā)射射線，對目標(biāo)模型的所有面元按順序掃描，確定目標(biāo)模型內(nèi)所有面元中心的空間坐標(biāo)與各個面元法向分量及深度值的對應(yīng)關(guān)系； 步驟4:由目標(biāo)模型所有面元的法向分量和入射平面電磁波的入射方向，求出所有面元內(nèi)入射線的反射線方向； 步驟5:找到所有面元內(nèi)反射線方向在目標(biāo)模型的投影射線，依次得到投影射線上每個面元的坐標(biāo)值，即面元位置；在進行面元搜索時，根據(jù)反射線的斜率判斷搜索方向，在投影射線上依次找到所有面元； 步驟6:根據(jù)投影射線上各個面元的位置，分別求出反射線與此面元所在平面的交點，并判斷該交點是否在此面元內(nèi)，如果在此面元內(nèi)，就代表反射線與目標(biāo)模型存在交點； 步驟7:重復(fù)步驟4至步驟6，直至反射線與目標(biāo)模型無交點，則利用物理光學(xué)方法計算反射路徑中每一次反射 的交點所在面元的RCS ； 步驟8:將每個面元內(nèi)多次反射的RCS進行疊加，得到目標(biāo)模型的多次反射RCS ； 步驟9:將多次反射RCS與單次反射的RCS相疊加得到目標(biāo)模型的總RCS ;所述單次反射RCS通過物理光學(xué)積分直接給出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于復(fù)雜目標(biāo)多次散射的雷達散射截面快速獲取方法，其特征在于:步驟2具體為，在不同光照條件下對標(biāo)準(zhǔn)純白色材質(zhì)的目標(biāo)模型顯示兩次，第一次顯示是在X軸、y軸、z軸分別設(shè)置紅綠藍三種顏色的方向光源，第二次顯示是在-X軸、-y軸處分別設(shè)置紅、綠兩種衍射的方向光源；根據(jù)目標(biāo)模型所有面元對方向光源的反射光強度得到各自的法向矢量和深度值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于復(fù)雜目標(biāo)多次散射的雷達散射截面快速獲取方法，其特征在于:步驟4所有面元上入射線的反射線方向:
S -1 —2^(1 * n) ^ η 其中，對于組成目標(biāo)模型的每個面元，ξ為該面元的反射線方向單位矢量，？為該面元的入射線方向單位矢量，η為該面元法向分量的單位矢量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于復(fù)雜目標(biāo)多次散射的雷達散射截面快速獲取方法，其特征在于:步驟6具體為:根據(jù)目標(biāo)模型的每個面元的中心坐標(biāo)和法向分量，獲得此面元所在的平面方程；如果入射線不與平面平行，則入射線與該平面存在交點；已知入射線L的起點為m(mx, my, mz),且入射線方向單位矢量為Vlj(vx, vy, vz),點n(nx，ny，nz)為面元的中心,在平面P上，且法向分量的單位矢量為Vp (vpx, vpy, vpz)，求出入射線與此面元所在平面P的交點O的坐標(biāo)(X，y, Z)； 將入射線方程寫成參數(shù)方程形式，t為參數(shù)，即有:
【文檔編號】G01S7/41GK103487789SQ201310435160
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年9月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月23日
【發(fā)明者】曾國奇, 李思吟, 熊小軍 申請人:北京航空航天大學(xué)