CN101526611A - 针对舰船的雷达散射截面检测方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

针对舰船的雷达散射截面检测方法

技术领域

本发明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。

背景技术

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Open GL实现的方法。

1.商业图形计算软件的剖分算法：

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1/3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Open GL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，提出了本发明，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.[J].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积分：

$u_p=\frac{1}{4\mathrm{\π}}\underset{s}{\∫\∫}\{u\left(r\right)\▿\left(\frac{e^{\mathrm{jkr}}}{r}\right)-\left(\frac{e^{\mathrm{jkr}}}{r}\right)\▿u\left(r\right)\}\·\widehat{\mathrm{\η}}\mathrm{dA}---\left(1\right)$

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

平面S的单位法向矢量，指向包含P点的半空间

从P点到平面S上一点的矢量

平面S上一定点A到P的矢量

${\hat{R}}_1=\stackrel{\→}{R}/R$

$\stackrel{\→}{x}=\stackrel{\→}{r}+\stackrel{\→}{R}$

[ξ-R₁]在平面S上的投影

其中：

$\stackrel{\→}{w}=(\widehat{\mathrm{\ξ}}-{\hat{R}}_1)-[(\widehat{\mathrm{\ξ}}-{\hat{R}}_1)\·\widehat{\mathrm{\η}}]\widehat{\mathrm{\η}}---\left(2\right)$

利用Green定理可以将该积分简化为对边界的线积分：

$u_p=\frac{({\hat{R}}_1\·\widehat{\mathrm{\η}}+\widehat{\mathrm{\ξ}}\·\widehat{\mathrm{\η}})}{w^2}\frac{e^{\mathrm{jkR}}}{4\mathrm{\πR}}\underset{\∂S}{\∫}{e}^{\mathrm{jk}[\stackrel{\→}{w}\·\stackrel{\→}{x}\left(t\right)]}[{\stackrel{\→}{w}}^{*}\·\stackrel{\→}{x}\left(t\right)]\mathrm{dt}---\left(3\right)$

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：

$u_p=\frac{({\hat{R}}_1\·\widehat{\mathrm{\η}}+\widehat{\mathrm{\ξ}}\·\widehat{\mathrm{\η}})}{w^2}\frac{e^{\mathrm{jkR}}}{4\mathrm{\πR}}(T_1+...+T_N)---\left(4\right)$

其中a₁，...，a_N是N边形的N个顶点。表达式中的T表述如下：

$T_n=({\stackrel{\→}{w}}^{*}\·\mathrm{\Δ}{\stackrel{\→}{a}}_n)\frac{\sin [\frac{k}{2}\stackrel{\→}{w}\·\mathrm{\Δ}{\stackrel{\→}{a}}_n]}{[\frac{k}{2}\stackrel{\→}{w}\·\mathrm{\Δ}{\stackrel{\text{\→}}{a}}_n]}\exp [\frac{\mathrm{ik}}{2}\stackrel{\→}{w}\·({\stackrel{\→}{a}}_n+{\stackrel{\→}{a}}_{n+1})]---\left(5\right)$

$\mathrm{\Δ}{\stackrel{\→}{a}}_n={\stackrel{\→}{a}}_{n+1}-{\stackrel{\→}{a}}_n---\left(6\right)$

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：

消除隐藏面是本发明关键组成部分之一，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，本发明中采取逆时针方向，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(或最大值，平均值)排序。

2.选择当前深度最小(离视点最近)的多边形为裁剪多边形。

3.用裁剪多边形对那些深度值更大的多边形进行裁剪。

4.比较裁剪多边形与各个内部多边形的深度，检查裁剪多边形是否是离视点最近的多边形。如果裁剪多边形深度大于某个内部多边形的深度，则恢复被裁剪多边形的各个多边形的原形，选择新的裁剪多边形，回到步骤3再做，否则步骤5。

5.选择下一个深度最小的多边形作为裁剪多边形，从步骤3开始做，直到所有多边形都处理为止。在得到的多边形中，所有内部多边形是不可见的，其余多边形均为可见多边形。

发明内容

本发明的目的在于，对电大尺寸目标的雷达散射截面计算是隐身技术的理论基础之一，但目前的商业软件在计算高频(1GHz以上)的时候有困难，而采用Open GL技术的图形电磁计算方法则对某些复杂目标的计算存在精度上的缺陷。本发明针对这种状况对目标物体做了多边形表达的表达，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。

本发明的特征在于，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，+X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。

系统的主程序流程图如图2所示。其中消隐程序是该系统的关键模块之一，采用区域排序算法，最终得到可见部分的多边形集合的表达，该部分的流程图如图3所示。

在计算精度相同的条件下，本发明的计算速度大大高于商业软件的剖分计算方法。

附图说明

图1    物理光学法示意图；

图2    系统的主程序流程图；

图3    区域排序算法的流程图；

图4    舰船的Matlab模型；

图5    45°时的消隐效果；

图5(a)可视部分的正面图；

图5(b)立体旋转一定角度的图示，以便看清消隐效果；

图6    800MHz下扫描180°的消隐结果。

具体实施方式

以舰船为例。我们采用商业软件和本发明分别计算该舰船的雷达散射截面。用本发明的计算步骤如下：

a)设定坐标轴，以水平面上垂直于舰船侧面的方向为Z轴，水平面上垂直于Z轴的为X轴，垂直于水平面的方向为Y轴。

b)对目标做建模，用N个多边形来表达目标的表面，N的大小依照目标的表面复杂度和对结果精确程度的要求而不同，多边形可以是任意的，每个多边形都是由一组逆时针顺序的三维点集组成。将这N个多边形按任意顺序输入到Matlab的数组中，画出立体透视图，如图4所示。

c)对模型沿Y轴逆时针旋转，旋转角度为[0°，180°]，其中+X方向为0°，+Z方向为90°方向，间隔1°。对每个角度上旋转后的模型做消隐处理，图5示出了该模型在旋转45°时的消隐效果，子图(a)是可视部分，子图(b)将可视部分立体旋转到可以看清消隐效果的角度。

d)在每一个角度上得到的消隐后的可视体描述，即其多边形集合表达，输入到物理光学计算散射的算法中，加总所有可视多边形的散射结果，最终得到该角度总的雷达散射截面。

e)将扫描[0°，180°]范围的雷达散射截面结果输出，在800MHz的结果如图6所示。

比较结果可知，在CPU为Intel Core2 Duo E6750@2.66GHz，内存为4GB计算环境下，对800MHz的仿真，商业图形计算软件用时380分钟，本发明用时1.8分钟。随着频率的增加商业软件用时将以几何级数增长，据拟合结果估算，在3GHz时商业软件的用时将达到20天左右。而在精度方面，本发明的结果与商业软件的结果几乎完全吻合。说明了本发明在高频的雷达散射截面计算方面具有高速性和精确性。

Claims (1)

1.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。

Images