CN105259547A

CN105259547A - 一种舰船稳定散射结构分析方法

Info

Publication number: CN105259547A
Application number: CN201510729299.9A
Authority: CN
Inventors: 何思远; 张云华; 贺菁菁
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Wuhan University WHU
Priority date: 2015-10-30
Filing date: 2015-10-30
Publication date: 2016-01-20

Abstract

本发明涉及一种舰船稳定散射结构分析方法，本发明首先进行舰船实体部件分解，这里将舰船几何结构实体模型分为所示6个区域，然后借助射线追踪，将空间中所有射线的路径进行标记，按照路径不同将射线进行归类、分集，从而实现来自不同部件的回波响应的分离来获得复杂精细舰船模型的散射源，通过得到的散射源判断结果进行强散射源的排序与筛选。通过查看指定散射源在大角度范围内的RCS贡献变化情况提取稳定散射源，并建立实体部件与目标散射特性之间的映射关系，为舰船高精细复杂几何模型特性分析提供一条有效辅助途径。本发明可以对较复杂目标的整个方位角下的散射源进行快速提取，并从中分析得到稳定散射源，可普遍适用于各类目标。

Description

一种舰船稳定散射结构分析方法

技术领域

本发明涉及一种基于知识辅助的SAR目标识别技术领域，尤其是对于高精细复杂几何建模的海上舰船目标，在整个方位角下的散射源做快速提取，从中分析得出稳定散射源的一种舰船稳定散射结构分析方法。

背景技术

不同类型、不同型号的目标由于各自的几何外形、材质等特点对雷达探测波响应产生的散射回波各不相同，人们根据回波特性的差异对被探测目标进行判断和识别。目标独特散射特性的成因是目标上的单个部件或多个部件之间耦合形成的强散射来源。在实际测量过程中，人们通常只能得到目标整体的散射回波，而很难说清楚该回波的具体来源到底是目标的哪个部件。

在高频区，雷达目标的后向散射回波可以近似为目标多个散射中心的响应之和。散射中心模型为光学区雷达目标的电磁散射现象提供了简洁精炼、物理含义明确的描述手段，在雷达数据压缩、散射特性分析、目标识别等领域都有重要意义。传统的散射中心提取方法是基于回波数据的，比如：通过图像分割、提取等技术找出SAR图像中的亮点作为散射中心，再通过反演求出散射中心的幅度、位置等参数。然而，它们实际上都属于逆向方法，一方面，依赖于回波数据的获取——无论是实测数据还是仿真数据的获取都需要大量的时间或计算资源；另一方面，逆向方法给出的散射中心及特性参数往往缺乏物理含义，很难与实际目标上的具体结构对应起来。

目标的结构模型知识的获取，对电磁领域专家的专业知识和经验依赖较强。对于简单目标(如坦克)而言，可以较容易地对其几何模型的散射规律做出预先分析，而对于高精细建模的复杂海上军用舰船目标而言，这项工作变得困难。本发明独立地发展出一套基于空间射线追踪的复杂目标强散射源提取及分析方法——空间射线分集技术。空间射线分集技术借助射线追踪，先将空间中所有射线的路径进行标记，再按照路径不同将射线进行归类、分集，从而实现来自不同部件的回波响应的分离。该方法仅仅基于复杂目标的几何外形数据，通过正向的途径提取强散射源，并建立实体部件与目标散射特性之间的映射关系，为目标特性分析提供了一条有效的辅助途径。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题：采用空间射线分集技术，正向地对海面舰船这类复杂目标整个方位角下的散射源实现快速提取，获取稳定散射源，不仅普遍适用于各类目标而且自动化较强，节省大量的时间和计算资源。

本发明再有一目的是解决现有技术所存在的技术问题：能够将获取的舰船可用于识别的图像特征与实际舰船目标船体上的散射结构建立起来对应关系。通过主散射中心在全局中的位置独特性区别不同船体目标如舰船、航母、渔船之间的差别。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种舰船稳定散射结构分析方法，其特征在于，包含以下步骤：

一个部件分解的步骤：对基于ANSYS-workbench建立的高精细几何模型的复杂目标舰船进行部件初步分解，具体方法是：

步骤1.1，预估基于ANSYS-workbench自底向上几何建模的舰船模型全姿态电磁散射特性，取其作为基准参考值，其中全姿态角为雷达电磁波入射舰船目标的所有角度；

步骤1.2，再预估自顶向下几何建模之舰船模型主体结构的全姿态电磁散射特性，取该全姿态RCS作为动态参考值，后续步骤1.3中在添加小结构的过程中动态值被刷新，采用迭代循环的替代过程并与步骤1.1中所计算出来的基准参考值进行比较；

步骤1.3，逐步添加小结构的实体结构，刷新后形成新的几何模型，对该刷新后的新模型执行步骤1.2，得到刷新后的新模型的动态参考值也就是刷新后的新模型的全姿态RCS，并将步骤1.1中基准参考值和刷新后的新模型的全姿态RCS进行相减后的得到差值，也就是小结构部件对方向图谷值贡献，并根据选择结果执行如下步骤后继续添加小结构的实体结构直至全部添加完毕后转至下一步骤：

选择步骤一：当小结构部件对方向图谷值贡献大于2dB时，散射贡献将计入几何模型；

选择步骤二：当小结构部件对方向图谷值贡献不大于2dB时，散射贡献则可不计入；

步骤1.4，所有计入的小部件实体结构与组成目标主体结构的实体部件，即为复杂目标分解得到的全部实体部件；

一个散射源判定的步骤：使用空间射线分集判定方法对采用上述部件分解的方法所得到的M个舰船结构的基础上，进行整个方位角上的散射源进行判定、输出，可实现如3°较小的角度步长；

一个稳定散射源获取的步骤：由上述散射源判定的步骤输出得到的散射源判断结果进行强散射源排序、筛选与输出，通过查看指定散射源在大角度范围内的RCS贡献变化情况，明确相对稳定的散射来源，定义稳定散射源是稳定散射结构对散射场的贡献足够强，也就是大于-20dB；

一个编号对应的步骤：由稳定散射源获取的步骤获取的稳定散射源通过部件编号与舰船实际结构对应起来，而特定目标由于其特殊的结构为目标识别提供依据。

在上述的一种舰船稳定散射结构分析方法，所述的散射源判定的步骤中，空间射线分集判定方法具体如下：

步骤2.1，将目标舰船散射体分解为M个部件，即为将复杂目标分解得到的全部实体部件，除船体外，将舰船上每个大块的整体结构作为一个部件看待，各个部件分别被标记为{m},m＝1,2,...M.其中，目标散射体表面通过三角形面元近似模拟，长度为λ/10，λ为入射波波长；入射平面波看作一簇平行射向目标表面高度密集的射线总集为U＝{r_i,i＝1，...,N}，r_i∈U代表一条射线，N是集合中射线总条数；

步骤2.2，在给定入射观察角{q,j}下，射线r_i入射在三角面片t_i上，作用点为其中心Q_i；则该三角面片索引号被记录下来，遵循几何光学(GO)反射定律，在该三角面片产生一条反射射线，然后把这条反射射线作为新的入射射线继续在目标表面射线追踪；与目标再次发生作用，则顺序记录下作用面片所在部件的索引号；重复上述过程直到射线离开，不再与目标表面上任何面元发生作用为止；射线r_i的路径被标记为一系列部件号组成的序列(的含义)其中{Q_m}是射线经过的所有反射点；定义顺序记录下射线r_i与目标发生作用的所有作用点序列[Q₁,Q₂,...,Q_N],并使用一个对应的区域索引号序列来标记射线r_i的路径；

步骤2.3，根据路径对射线进行归类，具有相同索引序列的射线形成一个集合j_n∈{1,2,...,N}，其中j是射线子集的编号，N_j是射线子集S_j中射线的条数，计算每个射线子集的散射贡献按照散射场幅值大小对射线子集进行排序，得到候选散射中心集合从排序后的队列中挑选前个射线子集作为散射中心提取的结果；

步骤2.4，利用步骤2.3提取的射线子集对散射场的贡献，舰船目标的总散射场是空间中所有射线散射场贡献的叠加根据高频近似，电大尺寸目标的高频电磁散射可以被很好地近似为多个独立散射中心响应之和，即则实现了回波中各散射中心响应的分离。

在上述的一种舰船稳定散射结构分析方法，步骤3中，强散射源筛选的方法具体为：首先计算整个舰船目标的散射场作为RCS的参考值，然后从排序后的候选散射源队列中初选若干个强散射源，通过将这些散射源贡献的叠加与参考值相比较，若两者均方根误差小于1dB，则认为这些强散射来源可以准确反映复杂目标电磁散射特性，否则就需要再补选强散射来源，直至强散射来源合成的RCS与基准参考值相差不足1dB.

在上述的一种舰船稳定散射结构分析方法，分解的较大部件为：火炮炮塔、火炮和导弹火控雷达，后部的警戒雷达架空天线和导弹发射装置。

因此，本发明具有如下优点：1.采用空间射线分集技术，正向地对海面舰船这类复杂目标整个方位角下的散射源实现快速提取，获取稳定散射源，不仅普遍适用于各类目标而且自动化较强，节省大量的时间和计算资源；2.能够将获取的舰船可用于识别的图像特征与实际舰船目标船体上的散射结构建立起来对应关系。通过主散射中心在全局中的位置独特性区别不同船体目标如舰船、航母、渔船之间的差别。

附图说明

图1是复杂目标实体部件分解流程图。

图2是舰船部件分解示意图。

图3是采用空间射线分集技术进行正向散射中心提取方法流程图。

图4是强散射源判定筛选流程图。

图5是海上舰船散射来源。

图6是简化后的图2模型，舰船部件分解示意图。

图7是散射结构1-3的舰船稳定散射来源RCS分布。

图8是散射结构1-4的舰船稳定散射来源RCS分布。

图9a是部件1-4散射中心二维成像示意图。

图9b是舰船整体二维SAR成像示意图。

图9c是部件1-4散射中心二维成像示意图。

图9d是舰船整体二维SAR成像示意图。

图9e是部件1-4散射中心二维成像示意图。

图9f是舰船整体二维SAR成像示意图。

图9g是部件1-4散射中心二维成像示意图。

图9h是舰船整体二维SAR成像示意图。

图9i是部件1-4散射中心二维成像示意图。

图9j是舰船整体二维SAR成像示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

包括以下步骤：

步骤1，部件分解步骤：对利用ANSYS-workbench软件建立的高精细几何模型的复杂目标舰船进行部件分解，这里的分解较为粗略，可将舰船上的较大装置、系统等整体结构作为一个部件来看待。

按照舰船几何结构将实体模型分为图2所示7个区域，其中1为船身主体部分，2～7为甲板上主要部件，其中，1-船体、2-紧凑型舰炮、3-火炮和导弹火控雷达、4和6-对空搜索雷达、5-反潜火箭发射装置、7-反潜导弹发射装置。

步骤2，散射源判定步骤：使用空间射线分集判定方法对舰船目标整个方位角上的散射源进行判定、输出。利用射线追踪的方法，可以分别计算出各部件一次作用及两部件之间的二次耦合对于RCS的贡献。下表将RCS为-10dB以上的散射中心对应的部件号列出。

将上表作为SAR图像特性分析的依据(图5)，结合目标几何信息即射线理论，可以基本判断出图像上峰值的散射来源。

在图5中，标号含义如下：

根据各部件的几何形状可初步判断散射机理，如下表：

步骤3，稳定散射源获取步骤：由步骤2输出得到的散射源判断结果进行强散射源排序、筛选与输出，通过查看指定散射源在大角度范围内的RCS贡献变化情况，明确相对稳定的散射来源。

将上述的舰船除去船体1之外，其余舰船上的装置按照部件分解分为6部分(图6)，图中，2-紧凑型舰炮、3-火炮和导弹火控雷达、1和4-对空搜索雷达、5-反潜火箭发射装置、6-反潜导弹发射装置)。

对该模型使用空间射线分集技术进行散射源判定，计算并输出其在整个方位角范围θ＝27.09°,的散射源分布情况。考察散射源输出结果，分析编号为“1-3”，“1-4”的稳定散射结构。因为这两个散射结构的单独散射贡献在整个方位角范围内都可以达到至少20dB，散射结构单独贡献的RCS结果。

以散射结构“1-4”为例，在7种不同的方位姿态下，考察并分析该结构单独散射贡献的SAR图像，并与总散射SAR图像进行比较。上图中，左边一列图为稳定散射结构单独贡献计算得到，右边一列图为总场贡献计算所得。雷达参数设置为：成像参数：HH极化，俯仰角为θ＝27.09°，分辨率dx＝dy＝1m，不模糊距离x＝y＝200m。带宽Bf＝150MHz，频率步进df＝0.75MHz，频率范围f＝9.575～9.725GHz(中心频率9.65GHz)，角宽角度步进

步骤4，由步骤3获取的稳定散射源通过部件编号与舰船实际结构对应起来，而特定目标由于其特殊的结构为目标识别提供依据。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims

1.一种舰船稳定散射结构分析方法，其特征在于，包含以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种舰船稳定散射结构分析方法，其特征在于，所述的散射源判定的步骤中，空间射线分集判定方法具体如下：

步骤2.1，将目标舰船散射体分解为M个部件，即为将复杂目标分解得到的全部实体部件，除船体外，将舰船上每个大块的整体结构作为一个部件看待，各个部件分别被标记为{m},m＝1,2,...M.其中，目标散射体表面通过三角形面元近似模拟，长度为λ/10，λ为入射波波长；入射平面波看作一簇平行射向目标表面高度密集的射线总集为U＝{r_i,i＝1,...,N}，r_i∈U代表一条射线，N是集合中射线总条数；

步骤2.2，在给定入射观察角{q,j}下，射线r_i入射在三角面片t_i上，作用点为其中心Q_i；则该三角面片索引号被记录下来，遵循几何光学(GO)反射定律，在该三角面片产生一条反射射线，然后把这条反射射线作为新的入射射线继续在目标表面射线追踪；与目标再次发生作用，则顺序记录下作用面片所在部件的索引号；重复上述过程直到射线离开，不再与目标表面上任何面元发生作用为止；射线r_i的路径被标记为一系列部件号组成的序列

I_{r_{i}} = [I_{Q_{1}}, I_{Q_{2}}, ... I_{Q_{m}}, I_{Q_{N}}], I_{Q_{m}} &Element; {1, 2, ..., M},

(的含义)其中{Q_m}是射线经过的所有反射点；定义顺序记录下射线r_i与目标发生作用的所有作用点序列[Q₁,Q₂,...,Q_N],并使用一个对应的区域索引号序列来标记射线r_i的路径；

3.根据权利要求1所述的一种舰船稳定散射结构分析方法,其特征在于，步骤3中，强散射源筛选的方法具体为：首先计算整个舰船目标的散射场作为RCS的参考值，然后从排序后的候选散射源队列中初选若干个强散射源，通过将这些散射源贡献的叠加与参考值相比较，若两者均方根误差小于1dB，则认为这些强散射来源可以准确反映复杂目标电磁散射特性，否则就需要再补选强散射来源，直至强散射来源合成的RCS与基准参考值相差不足1dB。

4.根据权利要求2所述的一种舰船稳定散射结构分析方法，其特征在于，分解的较大部件为：火炮炮塔、火炮和导弹火控雷达，后部的警戒雷达架空天线和导弹发射装置。