一种用于SAR成像仿真的复杂目标散射特性快速计算方法技术

本发明专利技术涉及一种用于SAR成像仿真的复杂目标散射特性快速计算方法，所述方法通过建立空间数据结构和射线管分裂来改进弹跳射线算法，提高了计算复杂三维目标散射特性的效率。本文基于实际SAR成像仿真过程中复杂目标的电磁散射计算问题，提出一种针对此类目标的快速弹跳射线电磁计算方法，该方法中包含利用节点块八叉树空间数据结构，快速进行相交检测；通过三角剖分射线管自适应分裂，大幅减少了射线管的数量。实验表明，本发明专利技术方法在保证计算精度的同时，可以有效提高计算目标散射特性的效率。可以有效提高计算目标散射特性的效率。可以有效提高计算目标散射特性的效率。

【技术实现步骤摘要】
一种用于SAR成像仿真的复杂目标散射特性快速计算方法


[0001]本专利技术涉及目标电磁散射特性快速计算技术，特别涉及SAR成像仿真过程中一种复杂三维目标的多次散射的快速算法。

技术介绍

[0002]分析复杂三维目标的电磁散射特性是开展雷达成像仿真、目标侦察与识别、隐身性能评价等研究的基础，因此具有重要的军事应用价值。对于表面结构较为复杂的目标，在仿真其电磁散射特性时需要对目标表面的多次散射进行计算。雷达散射截面积(Radar Cross Section，RCS)是一种反映目标的电磁散射特性的参数，其定义为目标在单位立体角内向雷达接收机处散射功率与入射波在目标上的功率密度之比的4π倍。Ling H等人于1989年提出了用于计算腔体雷达散射截面积的弹跳射线方法(Shooting and Bouncing Rays，SBR)，适用于计算目标几何结构之间的多次散射，具有计算精度高、易于实现的优点。经过多年的发展，SBR方法已经成为一种广泛应用于复杂三维目标电磁散射特性计算的方法。SBR方法的基本思想是在垂直于入射波的雷达虚拟孔径面上均匀划分密集的矩形射线管，再使用射线追踪的方法追踪每一根射线管，最后利用几何光学法(Geometrical optics，GO)和物理光学法(Physical Optics，PO)计算目标的电磁散射场。为满足计算精度要求，SBR划分矩形射线管的横截面边长通常小于十分之一的波长，所以对于舰船、车辆等电大尺寸目标而言，SBR方法生成射线管的数目巨大，计算效率不高。
[0003]目前提高SBR方法计算效率的思路主要分为两种，第一种思路是利用空间数据结构进行加速计算，利用数据结构加速的方法对目标表面划分的面元建立Kd树或八叉树的空间数据结构，为每一个面元分配一个用于快速索引的空间地址，从而在进行射线管与面元相交检测时剔除大量不必要的相交检测，实现对相交面元的快速检索。这类方法适用于表面面元数量较多的电大尺寸目标，能有效提高SBR方法的计算效率，但仍然没有解决射线管数量庞大的本质问题。第二种提高SBR方法计算效率的思路是减少射线管的数量。减少射线管数量的方法主要利用射线管分裂的思想，首先在虚拟孔径面上均匀划分较大的射线管，当射线管打到目标上且需要分裂时再将射线管进行分裂，生成若干较小的子射线管。在剔除与目标不相交的子射线管后，对剩下的射线管进行射线追踪并迭代，直到射线管离开目标或射线管横截面小于一定阈值。其中，Asadi等人提出的自适应射线管分裂方法根据目标面元的划分，使用Sutherland
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Hodegmam多边形裁剪算法自适应地将虚拟孔径分割成连续的子射线管，极大程度上减少了射线管的数量。然而，在使用Sutherland
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Hodegmam算法进行射线管分裂时，由于要分别计算多个三角形的两两相交关系，计算量较大。

技术实现思路

[0004]为提高SAR成像仿真中计算复杂三维目标散射特性的效率，本专利技术提出了一种用于SAR成像仿真的复杂目标多次散射快速计算方法，使用节点块八叉树空间数据结构加快射线管与面元的相交检测速度，使用大射线管分裂的方法减少射线管数量。此外，在进行射
线管分裂时，使用计算量较小的Delaunay三角形剖分算法代替Sutherland
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Hodegmam多边形裁剪算法。
[0005]本专利技术提出的一种用于SAR成像仿真的复杂目标散射特性快速计算方法，通过建立空间数据结构和射线管分裂来改进弹跳射线算法，提高了计算复杂三维目标散射特性的效率；其具体过程为：
[0006]步骤1：输入目标的三角面元模型和观测参数，生成由波源射向目标的几何光学射线管以模拟入射电磁波；
[0007]步骤2：建立节点块八叉树数据结构，快速判断步骤1中的面元与射线管的相交情况；
[0008]步骤3：计算步骤2中面元与射线管的交点，利用Delaunay算法将射线管分裂为匹配目标面元边界的子三角形射线管，剔除与目标不相交的子射线管；
[0009]步骤4：利用几何光学法得到步骤3中与目标面元相交的子射线管在面元上的反射场，追踪所有相交子射线管的反射路径，以该反射射线管作为下一次反射或散射的入射射线管；
[0010]步骤5：重复步骤2～4，直至几何射线管最终离开目标表面进入自由空间或反射次数达到用户设定的上限，使用物理光学法计算该射线管发生最后一次反射的散射场；将射向目标的所有射线管产生的散射场相加，即可计算得到在该入射电磁波参数下目标的散射特性。
[0011]进一步的，所述步骤2具体为：
[0012]首先根据目标的尺寸确定最外层根节点的大小(根节点通常略大于目标尺寸)，将根节点对应的空间等分为八个子节点，将目标结点信息分配到对应的子节点空间中，对每一个子节点空间按照同样的方式进行划分，直到划分的空间达到设定的最小尺寸或该子节点空间中不再含有任何目标结点；然后将射线管中心射线延伸到目标空间，判断中心射线与根节点是否相交，若相交则遍历其下一层的所有子节点，逐层地与射线管中心射线进行求交测试，最终确定与射线管中心射线相交的叶节点；接着确定得到的叶节点对应的空间块及其相邻空间块，提取这些空间块中包含的所有目标结点，并确定结点对应的所有面元的集合，这个面元集合包含了所有可能与射线管相交的面元。
[0013]更进一步的，所述步骤3具体为：
[0014]首先对面元分组，将包含相同节点的面元组成面元集合，在该集合内，任意一个面元与另外某一面元至少包含一个相同的结点，这一步中可能得到多个面元集合，选取离场源最近的一个作为反射曲面；然后根据射线管的入射方向，在离反射曲面几何中心一定距离(一般取1.5倍目标曲面包围球的半径)外且与入射方向垂直处建立射线管划分的虚拟孔径面，将步骤3.1中的面元集合投影到虚拟孔径面上；接着在虚拟孔径面上，计算面元边投影和射线管边界的交点并记为点集P1，射线管投影边界内的目标结点投影记为P2，将点集P1、P2和射线管投影的三个顶点组成二维点集P；最后使用Delaunay算法将二维点集P构造成三角形网格，这些三角形网格即为分裂后射线管的横截面，通过射线追踪，即可得到分裂后的射线管。
[0015]本专利技术采用以上技术方案，与现有技术相比，具有以下技术效果：
[0016]本专利技术适用于SAR成像仿真过程中的复杂三维目标的电磁散射特性计算问题，在
保证计算精度的前提下，本专利技术方法计算效率相比基于Kd树空间结构的加速SBR方法(Kd
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SBR)提升16倍以上，相比经典自适应射线管分裂的快速SBR方法(AP
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SBR)提升3倍以上，计算效率显著提高。
附图说明
[0017]图1是本专利技术的总体流程图；
[0018]图2是待计算电磁散射特性的尼米兹级航母三角面元模型；
[0019]图3是节点块八叉树的建立示意图；
[0020]图4是三角剖分射线管自适应分裂示意图；
[0021]图5是本专利技术方法与经典自适本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于SAR成像仿真的复杂目标散射特性快速计算方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤1：输入目标的三角面元模型和观测参数，生成由波源射向目标的几何光学射线管以模拟入射电磁波；步骤2：建立节点块八叉树数据结构，识别步骤1中的面元与射线管的相交情况；步骤3：计算步骤2中面元与射线管的交点，利用Delaunay算法将射线管分裂为匹配目标面元边界的子三角形射线管，剔除与目标不相交的子射线管；步骤4：利用几何光学法得到步骤3中与目标面元相交的子射线管在面元上的反射场，追踪所有相交子射线管的反射路径，以该反射射线管作为下一次反射或散射的入射射线管；步骤5：重复步骤2~4，直至几何射线管最终离开目标表面进入自由空间或反射次数达到用户设定的上限，使用物理光学法计算该射线管发生最后一次反射的散射场；将射向目标的所有射线管产生的散射场相加，得到在该入射电磁波参数下目标的散射特性。2.根据权利要求1所述的一种用于SAR成像仿真的复杂目标散射特性快速计算方法，其特征在于，所述步骤2具体为：步骤2.1，根据目标的尺寸确定最外层根节点的大小，将根节点对应的空间等分为若干个子节点，将目标结点信息分配到对应的子节点空间中，对每一个子节点空间按照同样的方式进行划分，直到...

【专利技术属性】
技术研发人员：张寅，章琪琪，范君杰，闫钧华，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：