CN103472443B - 一种动态海面激光脉冲波束回波仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种动态海面的激光脉冲波束回波仿真方法，基于统计海谱模型，利用逆FFT技术实现动态海面生成，模型考虑风速、浪高、海浪周期等参数；测量发射激光波束空间能量分布和脉冲形状，拟合得到任意激光波束的空时分布，基于能量守恒确定任意距离处剖面光强空间分布；基于辐射度学建立激光雷达波束后向散射回波雷达方程，水面面元作粗糙面处理，用双向反射分布函数表征；基于计算机图形库OpenGL完成场景的绘制、着色、渲染、实时动画、场景的消隐和裁剪。本发明既可用于不同海情样机动态交会虚拟实验，也有助于开展海面脉冲回波散射机理研究，能够节省大量成本。

Description

一种动态海面激光脉冲波束回波仿真方法

技术领域

本发明涉及目标与环境光散射特性研究领域，尤其涉及粗糙海面任意波束的激光脉冲回波仿真技术。

背景技术

激光近程雷达系统研制过程中需建立海背景回波仿真模型，为海上目标回波特性的数据采集、特征提取、控制和识别等研究提供必要的理论依据。目前激光近程雷达系统研制依赖大量的海上实验，这样即耗费大量的人力、物力，也难以掌握机理和规律。

在检索到的国内外公开及有限范围发表的文献中，有论文基于海面斜率的Cox-Munk模型介绍了海面高斯波束的反射模型，模型考虑了水面对波束的折射，讨论了水面光斑和风速的关系，但未见脉冲散射、水面面元的粗糙度影响、基于海谱模型的仿真等。另有论文介绍激光高斯波束海面双向反射的仿真方法，用遮蔽函数考虑面元遮蔽，但该方法不能用于动态海面回波模拟。综上所述，现有技术未公开对动态海面任意波束的激光脉冲回波的仿真方法。

发明内容

本发明的目的在于提出一种动态海面的激光脉冲波束回波仿真方法，既可用于不同海情样机动态交会虚拟实验，也有助于开展海面脉冲回波散射机理研究，节省了大量成本，从而为激光近程雷达探测和抗干扰算法设计、参数选择、性能评估提供参考。

为了达到上述发明目的，本发明为解决其技术问题采用以下技术方案：

提供一种动态海面的激光脉冲波束回波仿真方法，用于实现海面近程激光雷达虚拟实验动态粗糙海面任意波束脉冲波束回波仿真；

所述仿真方法包含：

步骤1：用光学波形测量仪获得某一距离剖面上激光发射波束空间强度分布离散数据，拟合得到强度分布解析表达式，并基于能量守恒原理确定任意距离处剖面光强空间分布；

步骤2：用脉冲测量仪和示波器获得激光发射脉冲时域波形，拟合得到其解析式；

步骤3：根据不同海情，建立基于统计海谱模型的包含风速、浪高、海浪周期参数的动态海面模型，并基于逆FFT获得顶点的高程分布，法线分布，及其随时间变化特征；用空间频率域波分解方法表示海面，通过逆FFT得到海面空间高程表示；

步骤4：基于Torrance-Sparrow模型建立水面面元双向反射分布函数统计模型，从而获得海面的亮度空间角分布特性；

步骤5：基于辐射度学建立后向散射回波脉冲与发射波束、海面几何模型、面元双向反射分布函数统计模型、海水介电常数的关系式，获得激光波束后向散射脉冲雷达方程；

步骤6：基于步骤3中生成的动态海面模型数据，利用计算机图形库OpenGL实现对动态场景的着色、渲染、图像效果处理、纹理映射、实时动画绘制，并根据激光脉冲发射器的几何位置关系，绘制激光脉冲波形与海面的交互状态；

步骤7：针对场景中所有面元采用颜色索引方法，将面元的法线，材质信息编码耦合到像素颜色中，利用三维图形显示卡的硬件加速性能，根据发射接收视场实现将探测器坐标系下的场景从三维到二维的投影变换，从而获得投影到视口的像素信息，并对此像素信息进行解码分析，获得经过遮挡和消隐处理后的离散化场景信息；

步骤8：基于步骤5中得到的激光波束后向散射脉冲雷达方程，利用步骤7中获得的离散化场景信息与激光脉冲波束进行时域离散卷积，从而计算脉冲波束后向散射回波特性；根据结果对步骤4中基于Torrance-Sparrow模型建立的双向反射分布函数模型参数进行修正，直至模型有效。

基于优选的实施例可知，本发明所述动态海面的激光脉冲波束回波仿真方法中，基于统计海谱模型，利用逆FFT技术实现动态海面生成，模型考虑风速、浪高、海浪周期等参数；测量发射激光波束空间能量分布和脉冲形状，拟合得到任意激光波束的空时分布，基于能量守恒确定任意距离处剖面光强空间分布；基于辐射度学建立激光雷达波束后向散射回波雷达方程，水面面元作粗糙面处理，用双向反射分布函数表征，方程考虑海水体散射效应；基于计算机图形库OpenGL完成场景的绘制、着色、渲染、实时动画、场景的消隐和裁剪。

本发明带来以下有益效果：

本发明提出基于Torrance-Sparrow双向反射分布函数模型的海面激光脉冲波束回波仿真方法，实现了在任意波束能量分布激光脉冲对动态海面的后向散射回波模拟，获得了不同海情、不同距离、不同角度下的海面回波，解决了海面近程激光雷达系统设计对海环境光学特性的需要，和海上实验相比节省了大量的人力、物力，能够有效地为激光近程雷达探测和抗干扰算法设计、参数选择、性能评估提供参考。

附图说明

图1是本发明中的动态海面激光脉冲波束回波仿真流程图。

具体实施方式

以下结合附图说明本发明的较佳实施例。

本发明的仿真方法原理如下：

如图1所示为本发明中动态海面激光脉冲波束回波仿真流程图，基于辐射度学建立脉冲波束激光雷达方程，方程考虑海水体散射效应，面元散射模型用Torrance-Sparrow双向反射分布函数模型表征；基于海谱模型和逆FFT技术完成动态海面生成；利用计算机图形技术完成场景渲染、消隐、裁剪。

仿真具体步骤如下：

步骤1：用光学波形测量仪获得某一距离剖面上激光发射波束空间强度分布离散数据，拟合得到强度分布解析表达式，基于能量守恒原理确定任意距离处剖面光强空间分布；高斯波束的拟合表达式为

               

                

为激光波束半径，为激光发散角，为激光半波束宽度，为脉冲时域波形。

步骤2：用脉冲测量仪和示波器获得激光发射脉冲时域波形，拟合得到其解析式如（3）式所示

                   

其中，为脉冲能量，脉冲标准差，表示脉冲半宽度，为脉冲峰值延时。

步骤3：基于统计海谱模型，利用逆FFT技术实现动态海面生成。模型考虑风速、浪高、海浪周期等参数；根据不同海情，建立基于统计海谱的动态海面模型，获得顶点的高程分布，法线分布，及其随时间变化特征；用空间频率域波分解方法表示海面，通过逆FFT得到海面空间高程表示。

其中色散关系决定开放海域波的动态特性，近似为

                     

是频率，是波数，是引力常数，是海水密度，是表面张力。风驱引力波是影响海面粗糙度的主要成分，波高幅度从统计模型获得，统计模型通过对照相和雷达散射测量的统计分析得到。水面的零阶近似是平面，在该平面上划分均匀的网格，计算各离散网格点的垂直位移，再通过对各点的双线性插值得到模拟的海面。网格点在任意时刻的高程可通过（5）式得到。

            

其中，为2D矢量，，其分别是、的整数倍。、分别是x，y方向水面的总尺寸。随机相位决定风驱海面的随机特性。

步骤4：基于Torrance-Sparrow模型建立水面面元双向反射分布函数统计模型。由Torrance-Sparrow模型，总的反射亮度由镜像和漫反射分量组成。漫射分量仅依赖于入射方向和面元法线的夹角，随变化，和视线角方向无关。双向反射分布函数表达式为

                  

，分别为待定镜反射系数和漫射系数。单个水面面元由大量统计分布微小面元组成，微面元法线矢量和水面面元法线夹角α的分布概率由决定。

                

m是表面微面元法线的均方根斜率。表面粗糙度随m的增大而增大。对于水面m一般较小，取0.09。归一化因子const通过对在半球空间积分归一化得到

                  

是和的函数。m为0.09时得到const=0.0322。

G为Torrance-Sparrow模型的几何衰减因子，为照亮面元对反射通量的贡献比例，，为水面面元法线和观测方向的夹角。为水面面元法线和太阳入射光线的夹角。是微面元法线和太阳入射方向的夹角（也是法线和反射至传感器方向的夹角），为菲涅尔反射率。

步骤5：基于辐射度学建立后向散射回波脉冲与发射波束、海面几何模型、面元双向反射分布函数模型、海水介电常数的关系式，获得激光波束后向散射脉冲雷达方程。

单个面元散射亮度为

                  

探测器接收光的全部功率为

              

为面元面积，为水面面元法线和观测方向的夹角。

探测器视场覆盖范围内所有面元的贡献为

                                          。

步骤6：基于逆FFT技术生成的动态海面模型数据，利用计算机图形库OpenGL实现对动态场景的着色、渲染、图像效果处理、纹理映射、实时动画绘制，并根据激光脉冲发射器的几何位置关系，绘制激光脉冲波形与海面的交互状态。

步骤7：针对场景中所有面元采用颜色索引方法，将面元的法线，材质（包含介电常数、BRDF参数）等信息编码耦合到像素颜色中，利用三维图形显示卡的硬件加速性能，根据发射接收视场实现将探测器坐标系下的场景从三维到二维的投影变换，从而获得投影到视口的像素信息，并对此像素信息进行解码分析，获得经过遮挡和消隐处理后的离散化场景信息。

步骤8：基于脉冲后向散射雷达方程，利用步骤7中获得的离散化场景信息与激光脉冲波束进行时域离散卷积，从而计算脉冲波束后向散射回波特性。

综上所述，本发明中基于水面面元Torrance-Sparrow双向反射分布函数模型，建立激光脉冲波束辐射度学雷达方程，结合计算机图形技术实现任意波束能量分布激光脉冲对动态海面的后向散射回波模拟，获取了不同海情、不同角度、不同距离下的粗糙海面的回波数据，解决了海面近程激光雷达对目标特性的需要。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (6)

1.一种动态海面的激光脉冲波束回波仿真方法，用于实现海面近程激光雷达虚拟实验动态粗糙海面任意波束脉冲波束回波仿真，其特征在于：

所述仿真方法包含：

步骤1：用光学波形测量仪获得某一距离剖面上激光发射波束空间强度分布离散数据，拟合得到强度分布解析表达式，并基于能量守恒原理确定任意距离处剖面光强空间分布；

步骤2：用脉冲测量仪和示波器获得激光发射脉冲时域波形，拟合得到其解析式；

步骤3：根据不同海情，建立基于统计海谱模型的包含风速、浪高、海浪周期参数的动态海面模型，并基于逆FFT获得顶点的高程分布，法线分布，及其随时间变化特征；用空间频率域波分解方法表示海面，通过逆FFT得到海面空间高程表示；

步骤4：基于Torrance-Sparrow模型建立水面面元双向反射分布函数统计模型，从而获得海面的亮度空间角分布特性；

步骤5：基于辐射度学建立后向散射回波脉冲与发射波束、海面几何模型、面元双向反射分布函数统计模型、海水介电常数的关系式，获得激光波束后向散射脉冲雷达方程；

步骤6：基于步骤3中生成的动态海面模型数据，利用计算机图形库OpenGL实现对动态场景的着色、渲染、图像效果处理、纹理映射、实时动画绘制，并根据激光脉冲发射器的几何位置关系，绘制激光脉冲波形与海面的交互状态；

步骤7：针对场景中所有面元采用颜色索引方法，将面元的法线，材质信息编码耦合到像素颜色中，利用三维图形显示卡的硬件加速性能，根据发射接收视场实现将探测器坐标系下的场景从三维到二维的投影变换，从而获得投影到视口的像素信息，并对此像素信息进行解码分析，获得经过遮挡和消隐处理后的离散化场景信息；

步骤8：基于步骤5中得到的激光波束后向散射脉冲雷达方程，利用步骤7中获得的离散化场景信息与激光脉冲波束进行时域离散卷积，从而计算脉冲波束后向散射回波特性；根据结果对步骤4中基于Torrance-Sparrow模型建立的双向反射分布函数模型参数进行修正，直至模型有效。

2.如权利要求1所述的动态海面的激光脉冲波束回波仿真方法，其特征在于：

步骤1中，高斯波束拟合得到的强度分布解析表达式为

$I(x,y,r,t)=\frac{2}{\mathrm{\π}\·w^2\left(r\right)}\·e^{-\frac{2(x^2+y^2)}{w^2\left(r\right)}}\·P_0\left(t\right)---\left(1\right)$

$w\left(r\right)=w_0\·\sqrt{1+{\left(\frac{\mathrm{\λ}\·r}{\mathrm{\π}\·w_0^2}\right)}^2},w_0=\frac{2\mathrm{\λ}}{\mathrm{\π\θ}}---\left(2\right)$

w₀为激光波束半径，θ为激光发散角，w(r)为激光半波束宽度；P₀(t)为脉冲时域波形。

3.如权利要求2所述的动态海面的激光脉冲波束回波仿真方法，其特征在于：

步骤2中激光发射脉冲时域波形拟合得到的解析式为

$P_0\left(t\right)=\frac{E_0}{\sqrt{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\σ}}_f}\·e^{-\frac{{(t-t_0)}^2}{{2\mathrm{\σ}}_f^2}}---\left(3\right)$

其中，E₀为脉冲能量，σ_f为脉冲标准差，表示脉冲半宽度，t₀为脉冲峰值延时。

4.如权利要求3所述的动态海面的激光脉冲波束回波仿真方法，其特征在于：

步骤3中，还用空间频率域波分解方法表示海面，通过逆FFT得到海面空间高程表示；

其中，决定开放海域波动态特性的色散关系近似为

${\mathrm{\ω}}^2\left(k\right)=\mathrm{gk}+\mathrm{\τ}\frac{k^3}{{\mathrm{\ρ}}_W}---\left(4\right)$

ω是频率，k＝2π/λ是波数，g是引力常数，ρ_w是海水密度，τ是表面张力；

影响海面粗糙度的风驱引力波，其波高幅度从统计模型获得，统计模型通过对照相和雷达散射测量的统计分析得到；

水面的零阶近似是平面，在该平面上划分均匀的网格，计算各离散网格点的垂直位移，再通过对各点的双线性插值得到模拟的海面；

网格点在任意时刻的高程表示为

$Z(\stackrel{\‾}{r},t)=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}Z(\stackrel{\‾}{r},t)\·e^{i\stackrel{\‾}{k}\stackrel{\‾}{r}}=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}Z\left(\stackrel{\‾}{k}\right)\·e^{i(\stackrel{\‾}{k}\stackrel{\‾}{r}+\mathrm{\ω}\left(k\right)t+{\mathrm{\φ}}_k)}---\left(5\right)$

其中，为2D矢量，其分别是2π/L_x、2π/L_y的整数倍；L_x、L_y分别是x，y方向水面的总尺寸；随机相位Φ_k决定风驱海面的随机特性。

5.如权利要求4所述的动态海面的激光脉冲波束回波仿真方法，其特征在于：

步骤4中，双向反射分布函数表达式为

$f_r=\frac{k_s\mathrm{\ρ}\left({\mathrm{\ψ}}^{\′}\right)\·P\left(\mathrm{\α}\right)\·G}{4\mathrm{\π}\cos \mathrm{\Θ}}+\frac{k_d}{\mathrm{\π}}---\left(6\right)$

k_s，k_d分别为待定镜反射系数和漫射系数；单个水面面元由大量统计分布微面元组成，微面元法线矢量和水面面元法线夹角α的分布概率由P(α)决定：

$P\left(\mathrm{\α}\right)=\mathrm{const}\·\frac{1}{4m^2}\·\frac{1}{{\cos }^4\mathrm{\α}}\·e^{-\frac{{\tan }^2\mathrm{\α}}{m^2}}---\left(7\right)$

m是表面微面元法线的均方根斜率；

归一化因子const通过对P(α)在半球空间积分归一化得到

$\underset{\mathrm{\φ}=0}{\overset{2\mathrm{\π}}{\∫}}\underset{\mathrm{\Θ}=0}{\overset{\mathrm{\π}/2}{\∫}}P\left(\mathrm{\α}(\mathrm{\θ},\mathrm{\φ})\right)\mathrm{d\θd\φ}:=1---\left(8\right)$

α是φ和θ的函数；

G为Torrance-Sparrow模型的几何衰减因子，为照亮面元对反射通量的贡献比例，G＝min{1,2cosα·cosΘ/cosψ',2cosα·cosψ/cosψ'}，Θ为水面面元法线和观测方向的夹角；ψ为水面面元法线和太阳入射光线的夹角；ψ'是微面元法线和太阳入射方向的夹角，ρ(ψ')为菲涅尔反射率。

6.如权利要求5所述的动态海面的激光脉冲波束回波仿真方法，其特征在于：

步骤5中，计算单个面元散射亮度为

L_r(x_i,y_i,t)≈f_r·I(x,y,r,t)  (9)

探测器接收光的全部功率为

P_r(x_i,y_i,t)＝L_r(x_i,y_i,t)·dA_ij·cosθ_rΩ_D

${\mathrm{\Ω}}_D=\frac{\mathrm{\π}{(d_{\det }/2)}^2}{{r_s}^2}---\left(10\right)$

dA_ij为面元面积，θ_r为水面面元法线和观测方向的夹角；

探测器视场覆盖范围内所有面元的贡献为

$P_r\left(t\right)=\underset{i,j}{\mathrm{\Σ}}{P}_r(x_i,y_i,t)---\left(11\right).$