针对舰船的雷达散射截面检测方法技术

针对舰船的雷达散射截面检测方法属于利用图形电磁计算（ＧＲＥＣＯ）技术高速分析目标物体的雷达散射截面（ＲＣＳ）领域。其特征在于，该发明专利技术对目标物体做了多边形表达的建模，并利用物理光学的散射方程，结合计算机图形学的消隐技术完善了ＲＣＳ的计算，不再需要对物体进行剖分，使得计算成本与频率无关，消隐的引进也解决了计算中精度上的缺陷。从而达到高速精确的计算高频雷达散射截面的目的。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于利用图形电磁计算(GRECO)技术高速分析目标物体的雷达散射截面(RCS)领域。
技术介绍
图形电磁计算(GRECO)技术被认为是目前电磁散射理论界分析复杂目标雷达散射截面RCS 最有效的方法。目前比较常见的图形计算方法是商业软件的剖分计算方法和利用图形软件标 准接口技术OpenGL实现的方法。1. 商业图形计算软f^的剖分算法该方法受到计算速度和存储空间的限制，剖分必须把目标分解成尺度不大于仍 波长的小三角形来计算，剖分后平面单元的个数与频率的平方成正比。随着频率的 增加计算的时间复杂度和空间复杂度几乎是几何级数增长的，使得剖分算法并不适 合于高频区(1GHZ以上)的RCS计算。2. 利用OpenGL技术该方法首先将目标物体划分成一定数量的四边形，将每个不同的四边形赋给不 同的颜色值，利用图形卡的消隐能力对显示结果进行颜色判断，对每个显示出颜色 的四边形进行散射计算，最后加总结果。可见该方法的计算与频率无关，精确度是 由四边形的大小决定的，当物体尺度很大又存在很细微的细节或者存在部分遮挡的 情况时，该方法的计算精度就会受到一定影响。针对现有方法的问题，提出了本专利技术，其中所涉及的已有技术物理光学法和计算 机图形消隐算法。 1.散射算法计算散射的方法主要包括以下几种a)经典散射算法。该算法从电磁场波动方程出发，根据散射体的边界条件求得长的严格级数解。这种方法只能适用于一些外形简单的目标。b) 积分散射算法。该方法求解由表示的麦克斯韦方程。实际上是一种数值解法。 由于计算机存储量和速度的限制，这种方法仅限于低频区和谐振区目标。c) 几何光学散射算法。这种方法从射线追踪出发，在极高频的极限情况下，麦 克斯韦方程可用光学定律来表示。当目标为平面时该方法计算结果为无穷大， 不适用于本研究领域。d) 物理光学散射算法。该算法同样基于斯特拉顿-朱兰成积分方程，与积分方 法不同的是，考虑到高频场的局部性原理，完全忽略了各部分感应电流的相 互影响，从而使得计算远区场变得简单的多，尤其在计算多边形平面目标时， 甚至避免了任何形式的积分计算。上述几种方法中物理光学散射算法最适合本研究领域，该算法来源于William BGordon.Far-field approximations to the Kirchoff-Helmholtz representations of scatteredfields. .IEEETrans Antennas Propagation,July,1975: 590-592。该算法在多边形平面的散 射计算中可简化为不包含任何积分的形式。以下进行详细说明计算金属平面散射时用到的基于物理光学的Kirchhoff理论表述为Helmholtz积这是个面的双重积分，式中所用到的符号说明如下:^入射波前的单位法向矢量々平面S的单位法向矢量，指向包含P点的半空间F从P点到平面S上一点的矢量R平面S上一定点A到P的矢量^ [《-i J在平面S上的投影其中利用Green定理可以将该积分简化为对边界的线积分:i《一H《南(《.々+《 々)e,邓，4如果这个平面是多边形，那么这个计算则可进一步简化为一个不含任何积分的 简单表达式",^^V…+t;') (4)其中ap.,., 是N边形的N个顶点。表达式中的T表述如下K"'.A《)^2-exp (5)AKi-3" (6) 在最后针对每个多边形的散射强度加总时，需要注意每个多边形散射强度的相 对相位关系，这个相对相位体现在图2中固定点A的位置，该点应该是S所在的无 限大平面和视线的交点，该交点可能在面S内，也可能在面S外，不同的多边形是 不一样的。 2.计算机图形消隐算法-消除隐藏面是本专利技术关键组成部分之一，目前有多种实用而成熟的算法a) Z缓冲算法。该算法针对于屏幕上的每个象素点讨论，最终选择离视点最近 的点显示。b) 区间扫描线算法。该算法克服了 Z缓冲算法必须针对每个象素点计算的局限， 使得在一条扫描线上每个区间只计算一次深度值，并且不需要Z缓冲区，提 高了运算速度。c) 区域子分割算法。把物体投影到全屏幕窗口上，然后递归分割窗口，直到窗 口内目标足够简单，可以显示为止。d) 画家算法。把物体的各个面按离视点的远近排序，由远及近的绘制各面，后 显示的图形覆盖先显示的画面，就达到了消隐的效果。e) 区域排序算法。在图像空间中，将待显示的所有多边形按深度值从小到大排 序，用前面可见的多边形去切割后面的多边形，最终使得每个多边形要么可 见，要么完全不可见。由于前四种算法只关心最终图像显示的效果，多边形的信息在消隐的过程中丢失了，而消隐后的结果需要和处理多边形的物理光学算法对接，所以消隐后的多边形信 息是必要的，区域排序算法保留了消隐结果的多边形表达形式，该算法来源于和青芳著.计算机图形学原理及算法教程.清华大学出版社.2005。所以我们最终选择了该 算法。以下进行详细说明设视点方向在物体一侧，且由-Z轴指向+Z轴，在图像空间中，将待显示的所有 多边形按深度值(Z坐标分量)从小到大排序，用前面可见的多边形去切割后面的多边 形，最终使得每个多边形要么可见，要么完全不可见。用区域排序算法消隐，需要用到一个多边形裁剪算法。当对处于任意位置的两 个形体相应表面的多边形进行剪裁时，称用来裁剪的多边形为裁剪多边形，另一个 多边形为被裁剪多边形。算法要求多边形的边是有向的，本专利技术中采取逆时针方向， 沿着边的走向，左侧始终是多边形的内部，右侧始终是多边形的外侧。若两多边形 相交，新的多边形可以用"遇到交点后向右拐"的规则来生成。具体步骤说明如下1. 设裁剪多边形为A，被裁剪多边形为B，2. 将A， B在X， Y平面上做投影，3. 求投影面上两多边形的交点，4. 将所得交点分别加入到两个多边形的顶点集合，得到两个新的集合，并对新集合进行逆时针排序。设排序后的新集合为A+和B+，5. 以B+的各点按顺序扫描，如果遇到交点则进行如下操作，直到扫描完毕，6. 首先判断该交点是从A外进入A内的交点(入交点)还是从A内出到A外的交点(外交点)。如果是入交点则进入7，反之则进入8，7. 按顺时针沿A扫描遇到交点则按逆时针沿B扫描的策略循环直到遇到最开始的交点，将过程中扫描到的点记录下来形成一个新的集合，这个集合就是新 的可见多边形(外多边形)。而按逆时针沿B扫描遇到交点则按逆时针沿A扫 描的策略循环直到遇到最开始的交点，将过程中扫描到的点记录下来形成另 一个新的集合，这个集合就是新的不可见多边形(内多边形)，8. 按按逆时针沿B扫描遇到交点则顺时针沿A扫描的策略循环直到遇到最开始的交点，将过程中扫描到的点记录下来形成一个新的集合，这个集合就是新 的可见多边形(外多边形)。而按逆时针沿A扫描遇到交点则按逆时针沿B扫 描的策略循环直到遇到最开始的交点，将过程中扫描到的点记录下来形成另 一个新的集合，这个集合就是新的不可见多边形(内多边形)。 于是被剪裁多边形被分为两个乃至多个多边形；把其中落在裁剪多边形外的多 边形叫做外部多边形；把落在裁剪多边形之内的多边形叫做内部多边形。利用裁剪算法可以描述区域排序算法的步骤如下1. 进行初步的深度值排序，如可按各多边形z向坐标的最小值(或本文档来自技高网...

【技术保护点】
针对舰船的雷达散射截面检测方法，其特征在于，所述方法依次按以下步骤在计算机中予以实现：　步骤（１）：初始化　设定坐标轴：以水平面上垂直于舰船侧面的方向为Ｚ轴，所述水平面上垂直于该Ｚ轴的方向为Ｘ轴，垂直于所述水平面的方向为Ｙ轴；　 　输入：目标沿Ｙ轴旋转软件包；　Ｍａｔｌａｂ工具包；　计算图形消隐的区域排序算法软件包；　基于物理光学的散射算法软件包；　步骤（２）：对目标舰船进行建模，针对舰船的几何形状，用设定好的坐标轴，把舰船表面描述成由Ｎ 个任意多边形拼接而成，Ｎ为设定值，把舰船表面Ｎ个任意多边形作为目标表面，每个所述任意多边形都由一组逆时针顺序的三维点集组成，并把所述Ｎ个任意多边形以数组形式输入到Ｍａｔｌａｂ工具包中，画出立体透视图；　步骤（３）：把步骤（２）中得到的 舰船模型，利用所述沿Ｙ轴旋转软件包逆时针旋转，旋转角度为［０°，１８０°］，其中，＋×方向为０°方向，＋Ｚ方向为９０°方向，旋转间隔为１°，对每个角度上旋转后的所述舰船模型，用所述计算机图形消隐算法软件包作消隐处理：　步骤（４）：把步 骤（３）得到的所述目标表面每次消隐后的多边形集合输入到所述基于物理光学的散射算法软件包中，加总所有所述任意多边形的散射结果，最终得到每个角度的散射截面；　步骤（５）：把扫描［０°，１８０°］区间内的雷达散射界面结果列出。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：贾洪涛，张志军，陈文华，冯正和，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]