一種動態(tài)海面激光脈沖波束回波仿真方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種動態(tài)海面的激光脈沖波束回波仿真方法，基于統(tǒng)計海譜模型，利用逆FFT技術(shù)實現(xiàn)動態(tài)海面生成，模型考慮風(fēng)速、浪高、海浪周期等參數(shù)；測量發(fā)射激光波束空間能量分布和脈沖形狀，擬合得到任意激光波束的空時分布，基于能量守恒確定任意距離處剖面光強空間分布；基于輻射度學(xué)建立激光雷達(dá)波束后向散射回波雷達(dá)方程，水面面元作粗糙面處理，用雙向反射分布函數(shù)表征；基于計算機(jī)圖形庫OpenGL完成場景的繪制、著色、渲染、實時動畫、場景的消隱和裁剪。本發(fā)明既可用于不同海情樣機(jī)動態(tài)交會虛擬實驗，也有助于開展海面脈沖回波散射機(jī)理研究，能夠節(jié)省大量成本。
【專利說明】一種動態(tài)海面激光脈沖波束回波仿真方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及目標(biāo)與環(huán)境光散射特性研究領(lǐng)域，尤其涉及粗糙海面任意波束的激光脈沖回波仿真技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]激光近程雷達(dá)系統(tǒng)研制過程中需建立海背景回波仿真模型，為海上目標(biāo)回波特性的數(shù)據(jù)采集、特征提取、控制和識別等研究提供必要的理論依據(jù)。目前激光近程雷達(dá)系統(tǒng)研制依賴大量的海上實驗，這樣即耗費大量的人力、物力，也難以掌握機(jī)理和規(guī)律。
[0003]在檢索到的國內(nèi)外公開及有限范圍發(fā)表的文獻(xiàn)中，有論文基于海面斜率的Cox-Munk模型介紹了海面高斯波束的反射模型，模型考慮了水面對波束的折射，討論了水面光斑和風(fēng)速的關(guān)系，但未見脈沖散射、水面面元的粗糙度影響、基于海譜模型的仿真等。另有論文介紹激光高斯波束海面雙向反射的仿真方法，用遮蔽函數(shù)考慮面元遮蔽，但該方法不能用于動態(tài)海面回波模擬。綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)未公開對動態(tài)海面任意波束的激光脈沖回波的仿真方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提出一種動態(tài)海面的激光脈沖波束回波仿真方法，既可用于不同海情樣機(jī)動態(tài)交會虛擬實驗，也有助于開展海面脈沖回波散射機(jī)理研究，節(jié)省了大量成本，從而為激光近程雷達(dá)探測和抗干擾算法設(shè)計、參數(shù)選擇、性能評估提供參考。
[0005]為了達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明為解決其技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案:
提供一種動態(tài)海面的激光脈沖波束回波仿真方法，用于實現(xiàn)海面近程激光雷達(dá)虛擬實驗動態(tài)粗糙海面任意波束脈沖波束回波仿真；
所述仿真方法包含:
步驟1:用光學(xué)波形測量儀獲得某一距離剖面上激光發(fā)射波束空間強度分布離散數(shù)據(jù)，擬合得到強度分布解析表達(dá)式，并基于能量守恒原理確定任意距離處剖面光強空間分布；
步驟2:用脈沖測量儀和示波器獲得激光發(fā)射脈沖時域波形，擬合得到其解析式；
步驟3:根據(jù)不同海情，建立基于統(tǒng)計海譜模型的包含風(fēng)速、浪高、海浪周期參數(shù)的動態(tài)海面模型，并基于逆FFT獲得頂點的高程分布，法線分布，及其隨時間變化特征；用空間頻率域波分解方法表示海面，通過逆FFT得到海面空間高程表示；
步驟4:基于Torrance-Sparrow模型建立水面面元雙向反射分布函數(shù)統(tǒng)計模型,從而獲得海面的亮度空間角分布特性；
步驟5:基于輻射度學(xué)建立后向散射回波脈沖與發(fā)射波束、海面幾何模型、面元雙向反射分布函數(shù)統(tǒng)計模型、海水介電常數(shù)的關(guān)系式，獲得激光波束后向散射脈沖雷達(dá)方程；
步驟6:基于步驟3中生成的動態(tài)海面模型數(shù)據(jù)，利用計算機(jī)圖形庫OpenGL實現(xiàn)對動態(tài)場景的著色、渲染、圖像效果處理、紋理映射、實時動畫繪制，并根據(jù)激光脈沖發(fā)射器的幾何位置關(guān)系，繪制激光脈沖波形與海面的交互狀態(tài)；
步驟7:針對場景中所有面元采用顏色索引方法，將面元的法線，材質(zhì)信息編碼耦合到像素顏色中，利用三維圖形顯示卡的硬件加速性能，根據(jù)發(fā)射接收視場實現(xiàn)將探測器坐標(biāo)系下的場景從三維到二維的投影變換，從而獲得投影到視口的像素信息，并對此像素信息進(jìn)行解碼分析，獲得經(jīng)過遮擋和消隱處理后的離散化場景信息；
步驟8:基于步驟5中得到的激光波束后向散射脈沖雷達(dá)方程，利用步驟7中獲得的離散化場景信息與激光脈沖波束進(jìn)行時域離散卷積，從而計算脈沖波束后向散射回波特性；根據(jù)結(jié)果對步驟4中基于Torrance-Sparrow模型建立的雙向反射分布函數(shù)模型參數(shù)進(jìn)行修正，直至模型有效。
[0006]基于優(yōu)選的實施例可知，本發(fā)明所述動態(tài)海面的激光脈沖波束回波仿真方法中，基于統(tǒng)計海譜模型，利用逆FFT技術(shù)實現(xiàn)動態(tài)海面生成，模型考慮風(fēng)速、浪高、海浪周期等參數(shù)；測量發(fā)射激光波束空間能量分布和脈沖形狀，擬合得到任意激光波束的空時分布，基于能量守恒確定任意距離處剖面光強空間分布；基于輻射度學(xué)建立激光雷達(dá)波束后向散射回波雷達(dá)方程，水面面元作粗糙面處理，用雙向反射分布函數(shù)表征，方程考慮海水體散射效應(yīng)；基于計算機(jī)圖形庫OpenGL完成場景的繪制、著色、渲染、實時動畫、場景的消隱和裁剪。
[0007]本發(fā)明帶來以下有益效果:
本發(fā)明提出基于Torrance-Sparrow雙向反射分布函數(shù)模型的海面激光脈沖波束回波仿真方法，實現(xiàn)了在任意波束能量分布激光脈沖對動態(tài)海面的后向散射回波模擬，獲得了不同海情、不同距離、不同角度下的海面回波，解決了海面近程激光雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計對海環(huán)境光學(xué)特性的需要，和海上實驗相比節(jié)省了大量的人力、物力，能夠有效地為激光近程雷達(dá)探測和抗干擾算法設(shè)計、參數(shù)選擇、性能評估提供參考。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1是本發(fā)明中的動態(tài)海面激光脈沖波束回波仿真流程圖。
【具體實施方式】
[0009]以下結(jié)合【專利附圖】

【附圖說明】本發(fā)明的較佳實施例。
[0010]本發(fā)明的仿真方法原理如下:
如圖1所示為本發(fā)明中動態(tài)海面激光脈沖波束回波仿真流程圖，基于輻射度學(xué)建立脈沖波束激光雷達(dá)方程，方程考慮海水體散射效應(yīng)，面元散射模型用Torrance-Sparrow雙向反射分布函數(shù)模型表征；基于海譜模型和逆FFT技術(shù)完成動態(tài)海面生成；利用計算機(jī)圖形技術(shù)完成場景渲染、消隱、裁剪。
[0011]仿真具體步驟如下:
步驟1:用光學(xué)波形測量儀獲得某一距離剖面上激光發(fā)射波束空間強度分布離散數(shù)據(jù)，擬合得到強度分布解析表達(dá)式，基于能量守恒原理確定任意距離處剖面光強空間分布；高斯波束的擬合表達(dá)式為
【權(quán)利要求】
1.一種動態(tài)海面的激光脈沖波束回波仿真方法，用于實現(xiàn)海面近程激光雷達(dá)虛擬實驗動態(tài)粗糙海面任意波束脈沖波束回波仿真，其特征在于: 所述仿真方法包含: 步驟1:用光學(xué)波形測量儀獲得某一距離剖面上激光發(fā)射波束空間強度分布離散數(shù)據(jù)，擬合得到強度分布解析表達(dá)式，并基于能量守恒原理確定任意距離處剖面光強空間分布； 步驟2:用脈沖測量儀和示波器獲得激光發(fā)射脈沖時域波形，擬合得到其解析式； 步驟3:根據(jù)不同海情，建立基于統(tǒng)計海譜模型的包含風(fēng)速、浪高、海浪周期參數(shù)的動態(tài)海面模型，并基于逆FFT獲得頂點的高程分布，法線分布，及其隨時間變化特征；用空間頻率域波分解方法表示海面，通過逆FFT得到海面空間高程表示； 步驟4:基于Torrance-Sparrow模型建立水面面元雙向反射分布函數(shù)統(tǒng)計模型,從而獲得海面的亮度空間角分布特性； 步驟5:基于輻射度學(xué)建立后向散射回波脈沖與發(fā)射波束、海面幾何模型、面元雙向反射分布函數(shù)統(tǒng)計 模型、海水介電常數(shù)的關(guān)系式，獲得激光波束后向散射脈沖雷達(dá)方程； 步驟6:基于步驟3中生成的動態(tài)海面模型數(shù)據(jù)，利用計算機(jī)圖形庫OpenGL實現(xiàn)對動態(tài)場景的著色、渲染、圖像效果處理、紋理映射、實時動畫繪制，并根據(jù)激光脈沖發(fā)射器的幾何位置關(guān)系，繪制激光脈沖波形與海面的交互狀態(tài)； 步驟7:針對場景中所有面元采用顏色索引方法，將面元的法線，材質(zhì)信息編碼耦合到像素顏色中，利用三維圖形顯示卡的硬件加速性能，根據(jù)發(fā)射接收視場實現(xiàn)將探測器坐標(biāo)系下的場景從三維到二維的投影變換，從而獲得投影到視口的像素信息，并對此像素信息進(jìn)行解碼分析，獲得經(jīng)過遮擋和消隱處理后的離散化場景信息； 步驟8:基于步驟5中得到的激光波束后向散射脈沖雷達(dá)方程，利用步驟7中獲得的離散化場景信息與激光脈沖波束進(jìn)行時域離散卷積，從而計算脈沖波束后向散射回波特性；根據(jù)結(jié)果對步驟4中基于Torrance-Sparrow模型建立的雙向反射分布函數(shù)模型參數(shù)進(jìn)行修正，直至模型有效。
2.如權(quán)利要求1所述的動態(tài)海面的激光脈沖波束回波仿真方法，其特征在于: 步驟I中，高斯波束擬合得到的強度分布解析表達(dá)式為

2(~)
I(x,y,r,t) =——.P0 (?
TL.w [r)
,、I ( Λ-r V 2Λ
wIrJ = wO-J1+ ——J -W0 =— %為激光波束半徑Y(jié)為激光發(fā)散角為激光半波束寬度ψο (60為脈沖時域波形。
3.如權(quán)利要求2所述的動態(tài)海面的激光脈沖波束回波仿真方法，其特征在于:步驟2中激光發(fā)射脈沖時域波形擬合得到的解析式為 價-論嚴(yán)其中&力脈沖能量a脈沖標(biāo)準(zhǔn)差，表示脈沖半寬度，為脈沖峰值延時。
4.如權(quán)利要求3所述的動態(tài)海面的激光脈沖波束回波仿真方法，其特征在于: 步驟3中，還用空間頻率域波分解方法表示海面，通過逆FFT得到海面空間高程表示； 其中，決定開放海域波動態(tài)特性的色散關(guān)系近似為
5.如權(quán)利要求4所述的動態(tài)海面的激光脈沖波束回波仿真方法，其特征在于: 步驟4中，雙向反射分布函數(shù)表達(dá)式為
6.如權(quán)利要求5所述的動態(tài)海面的激光脈沖波束回波仿真方法，其特征在于: 步驟5中，計算單個面元散射亮度為L^ixi J) H j； I(x,y,r,i) 探測器接收光的全部功率為
Pr (xi > JV O = 4.( Ui』)..C0S

a......卷/2)2
?— r}2 為面元面積，盡為水面面元法線和觀測方向的夾角；探測器視場覆蓋范圍內(nèi)所有面元的貢獻(xiàn)為
【文檔編號】G01S7/48GK103472443SQ201310436841
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月24日
【發(fā)明者】王彪, 林嘉軒, 童廣德 申請人:上海無線電設(shè)備研究所