电大复杂体目标与粗糙面背景复合电磁散射数值仿真方法技术

本发明专利技术属于雷达目标监测技术领域，具体为电大复杂体目标与地海粗糙面背景复合电磁散射的数值仿真方法。其步骤为：将体目标与面目标剖分别分为多边形平面元；在入射前向和散射的逆方向分别用射线追踪，并记录散射元上照射到的各阶射线；采用体目标散射元或边缘的物理光学散射或物理绕射，以及粗糙面元散射的解析解，通过散射射线追踪描绘的面－体目标散射与相互作用，由任意一对交汇在同一个面元或边缘上的前后向两束射线构造追踪路径形成散射项；累计所有面元的所有散射项之和，即为体目标和面目标的复合电磁散射。该方法能快速高效地数值仿真模拟复杂形状、电大尺寸、三维体目标与地海粗糙表面背景复合的电磁散射或雷达散射截面。

【技术实现步骤摘要】
专利
本专利技术属于雷达目标监测
，具体涉及复杂三维体目标与粗糙地海面背景共存 条件下，复合散射及其雷达散射截面的数值仿真方法。技术背景电大尺寸复杂体目标与地海背景复合电磁散射建模及其雷达散射截面(RCS， Radar Cross Section)计算是雷达目标监测和信号解读方面的一个难题。由于精确的数值方法在 电大尺寸问题中对复杂度的限制，使得高频近似方法成为解决这类问题的快速有效的方 法。尽管高频方法是一种近似计算，但往往足以给出问题求解的较高精度，同时有良好的 物理解释。用于计算电大目标RCS的传统高频方法有几何光学(GO， Geometrical Optics )、 物理光学(PO， Physical Optics )、几何绕射(GTD， Geometrical Theory of Diffraction )、物 理绕射(PTD， Physical Theory of Diffraction )、射线追踪(RT， Ray Tracing)等。现在已有多种基于高频方法的RCS计算工具。Youssef等开发了RCS计算工具，通 过对复杂目标面元剖分建模，纳入面元的物理光学散射、边缘的物理绕射和二阶GO-PO 面元散射。Lee等人发展了XPatch软件平台，不仅计入物理光学和物理绕射，还基于弹 跳射线法(SBR, Shooting Bouncing Rays) 计算高阶散射。此外，Rius等利用图形硬 件加速器发展了一种实时计算目标RCS的工具，该工具采用现有光学图像处理内核的功 能，快速计算面元的遮蔽和散射，虽然仅能给出一次散射与绕射场，但因其计算速度快而 多为采用。现有的这些方法中，大多数方法无法计算三阶及以上的高阶散射，其中XPatch软件采 用的SBR方法虽然能计算高阶散射，但必须是最后一次散射为PO散射其余均为GO反射， 这样无法考虑到很多其他可能的高阶散射项。对于体目标与面目标共存条件下的复合RCS 仿真尚缺少可靠与可实施计算的研究。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种快速、高效、通用、准确的电大复杂体目标与粗糙面背景 复合散射的数值仿真方法。本专利技术提出的电大复杂体目标与粗糙面背景复合散射的数值仿真方法，是一种双向射 线追踪法(BART, Bidirectional Analytic Ray Tracing)，以计算复杂电大尺寸三维目标电磁 散射及其RCS。主要思想是对构成目标的面元从入射方向和散射的逆方向上均进行几何光学射线追踪，并记录射线在面元或边缘上的照射范围，最后对于每个面元或边缘上所记 录的任一对正反射线，构造一项由正反追踪路径上的GO反射和该面元或边缘的PO/PTD 散射组成的高阶散射项，并计算其对散射场的贡献。双向的BART方法比传统单向追踪考 虑了更多不同的散射机制。对于三维电大体目标采用了多边形大面元(面片)剖分，解析 地描述射线照射和反射，通过多边形的交并减等几何运算实现精确的阴影计算，使得问题 复杂度与其电尺寸无关。对于粗糙面背景，本专利技术引入粗糙面元，考虑其相干分量(反射) 和非相干分量(漫散射)，从而能以类似于平面元的方式处理粗糙面散射，实现体目标与 粗糙面目标共存问题的复合散射计算。在进行BART计算时遵循以下三个主要步骤-i) 建立体目标的几何模型，将其表面剖分为无缝连接的多边形平面元，任两个相邻面 元连接处构成一个边缘。具体的说，用计算机辅助设计(CAD， Computer Aided Design) 工具建立三维体目标和粗糙面目标的几何模型并进行剖分，为降低射线追踪计算量，剖分 的面元应尽可能大， 一般来说平面部分不需再剖分，曲面部分则根据精度要求和计算能力 的折衷来决定剖分的精细度。ii) 从入射的前向和散射的逆方向(后向)发射平面波射线，进行双向跟踪射线，并沿 途记录每个面元和每个边缘上的射线照明区，直到完成给定阶数的追踪。具体的说，从入 射方向和散射逆方向发射零阶射线，进行双向跟踪并沿途记录每个面元上的射线照明区和 阴影区。iii) 双向追踪，计算并累计所有面元和边缘上交汇的前向和后向两束射线产生的散射 项，得到目标的电磁散射。即计算并累计每个面元上交汇的前后两束射线产生的多阶散射 贡献。本专利技术首先需进行几何建模，采用CAD工具将三维目标与粗糙面背景一起建模为多 面形面元描述的几何体与表面。在实施方式中按具体实例更具体地介绍了如何进行几何建 模及面元的剖分。建模以后并进行双向追踪，双向追踪的具体技术细节描述如下a)双向追踪本专利技术仍沿用GO、 PO和射线追踪等基本方法，提出双向追踪的新方法，以提高计算 精度。本专利技术在追踪射线时，寻找该射线所照射到的面元和边缘，确定对应照明区。若射线 照射在面元上，则在其反射方向上产生高一阶的射线，并重新追踪所有高一阶的射线，直 到反射产生的射线的阶数高于给定阶数为止。本专利技术采用双向追踪，在前后向均追踪射线，每个面元上交汇的前向和后向两束射线 产生的散射项由该前向射线追踪路径上发生的反射、该面元上发生的散射和后向射线追踪 路径上发生的反射构成。同样的，对于每个边缘上交汇的前向和后向两束射线产生的散射项由该前向射线追踪 路径上发生的反射、该边缘上发生的绕射和后向射线追踪路径上发生的反射构成。面元上发生的散射由对应两束射线在该面元上的照明区的相交区域计算得到。同样 的，边缘上发生的绕射由对应两束射线在该边缘上的照明区的相交区域计算得到。本专利技术在计算射线追踪路径上发生的反射时，是根据几何光学(GO)理论计算的；而 在计算计算面元上发生的散射时，是根据物理光学(PO)理论计算的；而在计算边缘上发 生的绕射时，是按照物理绕射理论(PTD)计算。具体描述如图1，从源(Tx)出发进行射线追踪，入射到面元上则发生GO反射，再继续追踪；反过来，从观察点(RX)朝散射逆方向进行追踪，则所到之处可以理解为从该处发出 散射波能够到达观察点。当射线从源Tx出发经过w阶追踪("次面元反射)到达当前散射 元处，而另一侧从观察点反过来经过m阶追踪也到达该处，当两束相反方向的射线交汇在 同一个面元时即构造一项m+n+l次散射。将该散射元看成无限小的微分单元，使得所有 面元发生GO反射可以用镜像法等效，即由像Tx'发射在像Rx'处观测到的场，则该散射元 的散射贡献可以等效地由其PO散射远场近似计算得到，同时还需计入"次GO反射对入 射场的影响和m次GO反射对散射场的影响。在交汇的这个面元上，存在一个两束射线的共同照明区，该区域内的所有散射元对这 一项(m+w+l)阶散射均有相同的贡献，积分得到这一项散射(表示为wGO+PO+mGO)，写 为& =,。 Je'(WWd^Hw很.g 。f。GO反射矩阵可以由入射场极化基、散射场极化基、面元局部坐标系和Fresnd系数计 算。必须注意到，上述计算方法对于面元散射的情况可能存在重复计算。当入射方向的射 线到达面元时，认为其发生GO反射并继续追踪，同时也考虑其发生PO散射，这样面元 的散射以不同形式被重复计入。当然在一般情况下，两种散射贡献由于角度或路径差异很 大，不会导致重复计算。而当GO反射和PO散射的角度恰好一致时，两者计入的实际上 是同一散射贡献，导致重复计算。当一束平面波照射在面本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电大复杂体目标与粗糙面背景复合电磁散射数值仿真方法，其特征在于，基本步骤如下：（１）建立体目标的几何模型，将其表面剖分为无缝连接的多边形平面元，任两个相邻面元连接处构成一个边缘；（２）从入射的前向和散射的后向发射平面波射线，进行双向跟踪射线，并沿途记录每个面元和每个边缘上的射线照明区，直到完成给定阶数的追踪；包括从入射方向和散射的逆方向发射零阶射线，并进行双向跟踪并记录每个面元上的射线照明区和阴影区；（３）计算并累计所有面元和边缘上交汇的前向和后向两束射线产生的散射项，得到目标的电磁散射。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：金亚秋，徐丰，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]