應(yīng)用于復(fù)雜目標(biāo)多次散射的雷達(dá)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(dá)散射截面快速獲取方法，屬于雷達(dá)散射截面仿真計(jì)算領(lǐng)域。本發(fā)明首先采用改進(jìn)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(jì)算速度高，內(nèi)存消耗少的優(yōu)點(diǎn)；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(jì)算多次反射線路徑的效率，提高計(jì)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(dá)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(dá)散射截面(RCS Radar CrossSection)快速獲取方法，屬于雷達(dá)散射截面仿真計(jì)算領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]雷達(dá)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(dá)散射截面進(jìn)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(shí)對復(fù)雜目標(biāo)進(jìn)行一維成像、二維成像、合成孔徑雷達(dá)成像仿真和目標(biāo)識別都需要進(jìn)行雷達(dá)散射截面計(jì)算。RCS計(jì)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(jì)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(jì)算精度，需要使用射線跟蹤進(jìn)行計(jì)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(jìn)行追蹤，可以對一般耦合效應(yīng)進(jìn)行合理的計(jì)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(jì)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(jì)算速度高，內(nèi)存消耗少等優(yōu)點(diǎn)，然而射線跟蹤法計(jì)算效率低下。當(dāng)目標(biāo)的尺寸和復(fù)雜度增加時(shí)，都會使計(jì)算時(shí)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(dá)散射截面計(jì)算中，復(fù)雜目標(biāo)多次散射計(jì)算射線跟蹤耗時(shí)巨大的問題，提出了一種能夠快速進(jìn)行多次射線跟蹤，并能保證雷達(dá)散射截面計(jì)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(jì)算，是根據(jù)目標(biāo)的幾何模型，采用電磁散射計(jì)算方法，計(jì)算該復(fù)雜目標(biāo)的RCS。本發(fā)明基于射線跟蹤法實(shí)現(xiàn)了對復(fù)雜目標(biāo)多次反射RCS計(jì)算。本方法通過結(jié)合幾何光學(xué)法和物理光學(xué)法計(jì)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(xiàn)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(dá)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(jì)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(gè)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(gè)面元的坐標(biāo)值，即面元位置。在進(jìn)行面元搜索時(shí)，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(gè)面元的位置，分別求出反射線與此面元所在平面的交點(diǎn)，并判斷該交點(diǎn)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(diǎn)。
[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(diǎn)，則利用物理光學(xué)方法計(jì)算反射路徑中每一次反射的交點(diǎn)所在面元的RCS。
[0014]步驟8:將每一次反射的交點(diǎn)所在面元的RCS進(jìn)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(diǎn)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(jì)算電磁線方法而言，具有計(jì)算速度高，內(nèi)存消耗少的優(yōu)點(diǎn)。
[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(jìn)了傳統(tǒng)射線跟蹤法的跟蹤反射線的算法，大大提高了計(jì)算多次反射線路徑的效率，提高計(jì)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(dá)散射截面計(jì)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(gè)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(diǎn)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(dá)散射截面仿真結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面將結(jié)合附圖，以90°角反射器為仿真實(shí)例對本發(fā)明作進(jìn)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(jìn)行計(jì)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(gè)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(shí)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(diǎn)與坐標(biāo)原點(diǎn)重合。
[0029]步驟2:通過光照，根據(jù)計(jì)算機(jī)顯示卡中目標(biāo)模型的反射光強(qiáng)度，計(jì)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(lán)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(qiáng)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(gè)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(gè)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(diǎn)及反射線方向。由于每條射線均視為由某個(gè)面元中心點(diǎn)作為起始點(diǎn)，故判斷射線與面元相交時(shí)，只需考慮交點(diǎn)是否在面元內(nèi)即可，交點(diǎn)位置的計(jì)算精度可控制在一個(gè)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(gè)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(jìn)行遍歷的求交點(diǎn)運(yùn)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(shí)，可參考Ru的反射路\^ΑΛ……4)，首先取出目標(biāo)模型上某個(gè)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(kuò)展一個(gè)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(jìn)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(gè)面元相交，則退出以上過程，進(jìn)入步驟5對目標(biāo)模型所有面元進(jìn)行遍歷求交點(diǎn)計(jì)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(gè)面元的坐標(biāo)值。
[0036]在查找投影射線上所有面元時(shí)，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(jì)算出來，那么只需計(jì)算投影射線上所有面元與反射線的交點(diǎn)。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(diǎn)，計(jì)算復(fù)雜度約為N2，而沿著投影射線計(jì)算交點(diǎn)的計(jì)算復(fù)雜度為N，N2為目標(biāo)模型面元的個(gè)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(jì)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(jì)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(shí)，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(jìn)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(jì)算復(fù)雜度最大變?yōu)?N。同時(shí)為了提高搜索的效率，以投影射線的起點(diǎn)為中心，將目標(biāo)模型大致分為左下，左上，右上，右下四個(gè)部分，根據(jù)投影射線的方向和斜率進(jìn)行判斷，確定應(yīng)該在四個(gè)部分中的哪一部分進(jìn)行搜索，此時(shí)計(jì)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(gè)面元的位置，分別求出反射線和此面元所在平面的交點(diǎn)，并判斷該交點(diǎn)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(diǎn)。找到第一個(gè)符合要求的交點(diǎn)即跳出循環(huán)，進(jìn)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(gè)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(diǎn)。如圖4所示，已知入射線L的起點(diǎn)為m(mx, my, mz),且入射線方向單位矢量為\ vy, vz),點(diǎn)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(diǎn)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(dá)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(jì)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(gè)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(gè)面元的坐標(biāo)值，即面元位置；在進(jìn)行面元搜索時(shí)，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(gè)面元的位置，分別求出反射線與此面元所在平面的交點(diǎn)，并判斷該交點(diǎn)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(diǎn)； 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(diǎn)，則利用物理光學(xué)方法計(jì)算反射路徑中每一次反射 的交點(diǎn)所在面元的RCS ； 步驟8:將每個(gè)面元內(nèi)多次反射的RCS進(jìn)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(dá)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(lán)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(qiáng)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(dá)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(gè)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(dá)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(gè)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(diǎn)；已知入射線L的起點(diǎn)為m(mx, my, mz),且入射線方向單位矢量為Vlj(vx, vy, vz),點(diǎn)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(diǎn)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)