CN105574239A - 组合式散射体的雷达截面的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种组合式散射体的雷达截面的计算方法。该方法主要包括：将组合式散射体进行分解，得到各个组件；对每个组件的雷达截面分别进行解析建模，计算出每个组件的雷达截面；将各个组件的雷达截面进行矢量求和，得到组合式散射体的雷达截面。本发明实施例在保证雷达截面建模准确的前提下，尽可能地降低建模复杂度，以便在射线跟踪仿真器中使用，准确建模散射射线，为小蜂窝或者D2D、V2V场景的确定性信道有效建模服务。

Description

组合式散射体的雷达截面的计算方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种组合式散射体的雷达截面的计算方法。

背景技术

小蜂窝和D2D(Device-to-device,设备与设备)，V2V(Vehicle-to-vehicle，汽车与汽车)通信场景中的通信链路长度较短，通常为从几十米到几百米范围，收发天线高度很低，一般高度均低于10m，远低于城市场景大部分建筑物的高度。这种情况下，复合组合式散射体作为本地散射体，电波传播路径与其发生相互作用的频率显著提高。在通信场景中，距离收发位置小于100m的物体，构成了电波传播的主要散射源。由灯柱和交通标示等组合式散射体散射出的电波强度并不低于建筑物墙面的反射电波和建筑物边缘的绕射电波强度。特别是在交通拥堵的情况下，交通标示、车辆和公路桥是传播场景中最主要的散射体。因此，以小蜂窝和D2D，V2V场景作为典型场景的下一代移动通信系统中，传播信道需要更多地考虑本地散射体的影响。

射线跟踪仿真器是确定性信道建模的主要工具，能够准确、全面的反应电波传播的特性。然而，射线跟踪仿真器的优势是建立在传播环境和传播机制准确建模的基础上，电波传播预测工具如果仅考虑镜面反射、建筑物的绕射，其预测精度将会明显下降，由于环境中散射体贡献的缺失，例如来自树木和金属护栏的散射径。因此，作为主要散射体的组合式散射体，其几何结构和散射模式(雷达截面)应该植入射线跟踪仿真器，完善散射机制的建模。

在组合式散射体中，建筑物表面、树木、灯柱和公交车站已得到广泛的研究，在现有的信道建模研究方式中，普遍承认了小蜂窝、D2D和V2V场景中组合式散射体对电波传播的显著影响，将物体建模为单一形状，单一材质，复合组合式散射体固有的复杂属性使其解析雷达截面建模不同于传统的研究方式。

现有的研究虽然承认了小蜂窝、D2D和V2V场景中组合式散射体对电波传播的显著影响，但已有的信道建模一般较少考虑复合组合式散射体，主要原因是其散射模式或者说是雷达截面解析建模过于复杂性，不适用于信道的综合建模。因此，开发一种有效的组合式散射体的雷达截面的解析方法是十分必要的。

发明内容

本发明的实施例提供了一种组合式散射体的雷达截面的计算方法，以实现对组合式散射体的雷达截面进行有效的解析。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种组合式散射体的雷达截面的计算方法，其特征在于，包括：

将组合式散射体进行分解，得到各个组件；

对每个组件的雷达截面分别进行解析建模，计算出每个组件的雷达截面；

将各个组件的雷达截面进行矢量求和，得到组合式散射体的雷达截面。

进一步地，所述的对每个组件的雷达截面分别进行解析建模，计算出每个组件的雷达截面，包括：

对每个组件的雷达截面分别进行解析建模，计算出各个组件的单站雷达截面σ_M，利用单站—双站等效公式将各个组件的单站雷达截面转换为双站雷达截面,所述单站—双站等效公式如下：

${\mathrm{\σ}}_B({\mathrm{\α}}_i,{\mathrm{\α}}_s,f)={\mathrm{\σ}}_M(\frac{{\mathrm{\α}}_i+{\mathrm{\α}}_s,}{2},f)$

σ_B是双站雷达截面，σ_M是单站雷达截面，α_i是入射射线与雷达表面法线的夹角,α_s是散射射线与雷达表面发现的夹角，f是频率；

如果组件已有双站雷达截面解析公式，则直接计算组件的双站雷达截面。

进一步地，所述的将各个组件的雷达截面进行矢量求和，得到组合式散射体的雷达截面，包括：

在远场条件下，将各个组件的双站雷达截面进行矢量求和，得到组合式散射体的基于组件分解的雷达截面σ_whole：

σ_p是第p个组件的雷达截面，其相对相位是σ_p。

进一步地，所述的方法还包括：

将组合式散射体的组件进一步分解为多个模块，所述模块的尺度根据所述组合式散射体的远场条件来决定，对每个模块的雷达截面分别进行解析建模，计算出各个模块的雷达截面σ_{patch_n}，并获取各个模块对应的相位；

将各个模块产生的雷达截面σ_{patch_n}进行相干叠加，得到整个组合式散射体的基于模块分解的雷达截面解析模型：

在远场条件下，将所述基于组件分解的雷达截面解析模型和基于模块分解的雷达截面解析模型进行比对，根据比对结果对所述基于组件分解的雷达截面解析模型进行验证，验证随着入射角度变化的双基雷达截面。

进一步地，所述的方法还包括：

将所述基于组件分解的雷达截面解析模型应用到射线跟踪仿真器中，将应用了所述基于组件分解的雷达截面解析模型的射线跟踪仿真器输出的雷达测量数据，与实际场景中的所述射线跟踪仿真器输出的雷达测量数据进行比对，根据比对结果对所述基于组件分解的雷达截面解析模型进行验证，验证随着入射角度变化的双基雷达截面。

进一步地，所述的方法还包括：

在远场条件下，对所述组合式散射体整体的雷达截面进行全波分析仿真，根据全波分析仿真结果对组合式散射体整体的雷达截面进行验证；

或者，采用电波暗室中的自由空间雷达截面测量方法，对所述组合式散射体整体的雷达截面进行验证。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例在保证雷达截面建模准确的前提下，尽可能地降低建模复杂度，以便在射线跟踪仿真器中使用，准确建模散射射线，为小蜂窝或者D2D、V2V场景的确定性信道有效建模服务。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种组合式散射体的雷达截面的计算方法的实现原理示意图；

图2为本发明实施例提供的一种组合式散射体的雷达截面的计算方法的处理流程图；

图3为本发明实施例提供的一种交通标示牌的几何结构模型示意图；

图4为本发明实施例提供的一种组合式散射体的组件的进一步分解近似方法示意图；

图5为本发明实施例提供的一种矩形板的单站雷达截面的参数示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本发明实施例提出了一种组合式散射体的雷达截面的计算方法，其中包括解析、建模等过程，给出了复合组合式散射体植入射线跟踪仿真器的具体方案，尽可能简化雷达截面的解析建模方法，而且通过仿真、测量等验证方法，保证复合组合式散射体的雷达截面建模的精确度。

本发明实施例提供的组合式散射体的雷达截面的计算方法的原理示意图如图1所示，具体处理流程如图2所示，包括如下的处理步骤：

步骤S210、将组合式散射体进行分解，得到各个组件。

本发明实施例的组合式散射体可以为城市中的基础设施，比如站台、交通标示等，由于复合组合式散射体一般由多个不同材质的组件组成，并且形状大多不规则，所以第一步是将复合组合式散射体进行分解，得到多个独立的、易于数学建模的组件。

例如，组合式散射体中常见的交通标示，一般将其分解为两部分，分别是标示牌和支杆，这两个组件的雷达截面均需解析建模。

步骤S220、对分解后的每个组件的雷达截面分别进行解析建模，计算出每个组件的双站雷达截面。

在将组合式散射体分解为各个组件后，对各个组件的雷达截面分别进行解析建模。

雷达截面建模是散射机制建模的核心步骤，在雷达截面建模过程中可以采用高频预测方法，来降低计算复杂度。本发明实施例使用单站—双站等效理论(Monostatic-to-BistaticEquivalenceTheorem,MBET)简化组件的雷达截面的建模。因为在通信链路中收发位置不在同一个位置，组合式散射体大多需建模其双站雷达截面，但是建模方法复杂，解析公式繁冗，使用等效理论后可以采用一些单站雷达截面的简单公式来近似双基雷达截面的建模。

本发明实施例首先对每个组件的雷达截面分别进行解析建模，计算出各个组件的单站雷达截面σ_M，不同几何形状的单站雷达截面解析公式不同，以矩形板为例，矩形板的单站雷达截面的参数示意图如图5所示，计算公式如下：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_{rec\_plate}=\frac{h^2}{\mathrm{\π}}|\[\cos kw\sin \mathrm{\θ}-\frac{i\sin kw\sin \mathrm{\θ}}{\sin }\]-\frac{e^{ikw-i(\mathrm{\π}/4)}}{\sqrt{2\mathrm{\π}}{\left(kw\right)}^{3/2}}\×\\ \[\frac{1}{\cos \mathrm{\θ}}+\frac{e^{ikw-i(\mathrm{\π}/4)}}{4\sqrt{2\mathrm{\π}}{\left(kw\right)}^{3/2}}(\frac{(1+\sin \mathrm{\θ})e^{-ikw\sin \mathrm{\θ}}}{{(1-\sin \mathrm{\θ})}^2}+\frac{(1-\sin \mathrm{\θ})e^{+ikw\sin \mathrm{\θ}}}{{(1+\sin \mathrm{\θ})}^2})\]\×\\ \[1-\frac{e^{i2kw-i(\mathrm{\π}/2)}}{8\mathrm{\π}{\left(kw\right)}^3}\]{|}^2,\mathrm{\θ}\≤80\end{array}$

$\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_{rec\_plate}=\frac{w}{8\mathrm{\λ}}{h}^2\[(1+\frac{\mathrm{\π}}{2}\frac{1}{{(w/\mathrm{\λ})}^2})+\\ (1-\frac{\mathrm{\π}}{2}\frac{1}{{(w/\mathrm{\λ})}^2})\cos (2kw-\frac{3\mathrm{\π}}{5})\],\mathrm{\θ}>80\end{array}$

其中，σ_{rec_plate}是矩形板的单站雷达截面，w和h分别是矩形板的宽度和高度，k＝2π/λ表示波数，θ是射线相对于矩形板法线的入射角度。

再利用单站—双站等效公式将单站雷达截面转换为双站雷达截面。上述单站—双站等效公式如下：

${\mathrm{\σ}}_B({\mathrm{\α}}_i,{\mathrm{\α}}_s,f)={\mathrm{\σ}}_M(\frac{{\mathrm{\α}}_i+{\mathrm{\α}}_s,}{2},f)$

σ_B是双站雷达截面，σ_M是单站雷达截面，α_i是入射射线与雷达表面法线的夹角,α_s是散射射线与雷达表面发现的夹角，f是频率；

如果组件已有双站雷达截面解析公式，则直接计算组件的双站雷达截面。

步骤S230、在远场条件下，将各个组件的双站雷达截面进行矢量求和，计算组合式散射体整体的雷达截面。

在远场条件下，将各个组件的双站雷达截面进行矢量求和，得到组合式散射体的基于组件分解的整体雷达截面σ_whole，即雷达截面解析模型，σ_whole计算公式如下：

σ_p是第p个组件的雷达截面，其相对相位是σ_p，复数a+i*b，这里i表示复数

步骤S240、在近场和远场条件下，对上述组合式散射体整体的雷达截面进行验证。

1：在远场条件下，对上述组合式散射体整体的雷达截面进行全波分析仿真，根据全波分析仿真结果对组合式散射体整体的雷达截面进行验证；全波分析仿真结果中包括场景中物体的几何和材质参数，将这些几何和材质参数与组合式散射体整体的雷达截面进行验证。

或者，采用电波暗室中的自由空间雷达截面测量方法，对上述组合式散射体整体的雷达截面进行验证，验证随着入射角度变化的雷达截面，这样，组件分解方法，高频预测方法，单站—双站等效方法均可以得到验证。

2：在近场验证中，为了满足近场条件，将组件再次分解为更小的模块，并验证这个分解方案的准确度。

在射线跟踪仿真器中，仿真小蜂窝或者D2D、V2V场景，会出现收、发端距离组合式散射体的长度不满足远场条件的情况。这时，雷达截面的解析模型是不能应用的，因为该模型是基于平面波假设条件，也就是远场条件，该远场条件的定义如下：

$min\{r^{\′},r\}>k_{FAR}\×\frac{D_{{\max }^2}}{\mathrm{\λ}}$

r′和r分别是该组件距离发送端和接收端的距离，Dmax是该组件最大的维度值，k_FAR是组件的边界值，在实际中一般定义为2。在小蜂窝或者D2D、V2V场景中。r′和r一般从几十分米到几百米。为了解析模型的应用，将组合式散射体的组件再次分解为更小的模块，这些模块的尺度由远场条件来决定，本发明实施例提供的一种组合式散射体的组件的进一步分解近似方法示意图如图4所示。之后，本地平面波假设条件可以满足，雷达截面解析模型便可以使用了。

将各个模块产生的场强矢量求和(考虑相位)进行相干叠加，得到整个组合式散射体的基于模块分解的雷达截面解析模型：

σ_{patch_n}是第n个模块的雷达截面，其相对相位是σ_{patch_n}，N是模块的总个数。

在这个阶段，两个验证需要完成。

第一个验证是远场条件下的验证，将所述基于组件分解的雷达截面解析模型和基于模块分解的雷达截面解析模型进行比对，根据比对结果对所述基于组件分解的雷达截面解析模型进行验证，主要验证随着入射角度变化的雷达截面。

这个验证将决定基于模块分解的雷达截面解析模型能否有效的逼近远场电场分布。

第二个验证是近场条件下的验证，通过对比基于模块分解的雷达截面解析模型与近场的测量数据。如果和测量数据有很好的吻合，这就意味着提出的方案能够有效建模组合式散射体的雷达截面。

本发明实施例的最终目的是在射线跟踪仿真器中准确建模散射机制，射线跟踪仿真器中散射径的电场强度表示为：

其中，λ是波长，G_Tx，G_Rx分别表示收发天线的增益，r₁，r₂分别是发射天线和接收天线距离散射点的距离，σ表示雷达截面，E₀是入射径的电场强度。

在射线跟踪仿真器中应用雷达截面解析模型，建模信道的散射机制。

将所述基于组件分解的雷达截面解析模型应用到射线跟踪仿真器中，将应用了所述基于组件分解的雷达截面解析模型的射线跟踪仿真器输出的雷达测量数据，与实际场景中的所述射线跟踪仿真器输出的雷达测量数据进行比对，根据比对结果对所述基于组件分解的雷达截面解析模型进行验证，主要验证随着入射角度变化的雷达截面。

雷达截面模型是解析模型，可方便的应用于射线跟踪仿真器中。收发天线位置、组合式散射体的几何结构准确建模后，通过植入的雷达截面解析模型，可以准确的预测散射径的特性，例如方向、场强等。通过矢量求和计算，组合式散射体的散射模型可确定。

最后，射线跟踪的仿真结果需要和真实场景的信道测量数据比较，验证其准确性。

综上所述，本发明实施例在保证雷达截面建模准确的前提下，尽可能地降低建模复杂度，以便在射线跟踪仿真器中使用，准确建模散射射线，为小蜂窝或者D2D、V2V场景的确定性信道有效建模服务。

本发明实施例所给出的方案结合射线跟踪仿真器的特殊需求，通过对复合组合式散射体的雷达截面精确、解析建模，植入仿真器方便，且复杂度降低。符合下一代移动通信小蜂窝、D2D和V2V场景下的确定性信道建模对精确度和复杂度的要求。本发明的优越性在于与传统的雷达截面解析建模方法相比，有更好的实用性。本发明可用于无线通信系统的电波传播预测中，适应无线网络规划、设计的要求。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种组合式散射体的雷达截面的计算方法，其特征在于，包括：

将组合式散射体进行分解，得到各个组件；

对每个组件的雷达截面分别进行解析建模，计算出每个组件的雷达截面；

将各个组件的雷达截面进行矢量求和，得到组合式散射体的雷达截面。

2.根据权利要求1所述的组合式散射体的雷达截面的计算方法，其特征在于，所述的对每个组件的雷达截面分别进行解析建模，计算出每个组件的雷达截面，包括：

对每个组件的雷达截面分别进行解析建模，计算出各个组件的单站雷达截面σ_M，利用单站—双站等效公式将各个组件的单站雷达截面转换为双站雷达截面,所述单站—双站等效公式如下：

${\mathrm{\σ}}_B\left(\begin{array}{ccc}{\mathrm{\α}}_{i,}& {\mathrm{\α}}_{s,}& f\end{array}\right)={\mathrm{\σ}}_M(\frac{{\mathrm{\α}}_i+{\mathrm{\α}}_s}{2},f)$

σ_B是双站雷达截面，σ_M是单站雷达截面，α_i是入射射线与雷达表面法线的夹角,α_s是散射射线与雷达表面发现的夹角，f是频率；

如果组件已有双站雷达截面解析公式，则直接计算组件的双站雷达截面。

3.根据权利要求2所述的组合式散射体的雷达截面的计算方法，其特征在于，所述的将各个组件的雷达截面进行矢量求和，得到组合式散射体的雷达截面，包括：

在远场条件下，将各个组件的双站雷达截面进行矢量求和，得到组合式散射体的基于组件分解的雷达截面σ_whole：

σ_p是第p个组件的雷达截面，其相对相位是σ_p。

4.根据权利要求3所述的组合式散射体的雷达截面的计算方法，其特征在于，所述的方法还包括：

将组合式散射体的组件进一步分解为多个模块，所述模块的尺度根据所述组合式散射体的远场条件来决定，对每个模块的雷达截面分别进行解析建模，计算出各个模块的雷达截面σ_{patch_n}，并获取各个模块对应的相位；

将各个模块产生的雷达截面σ_{patch_n}进行相干叠加，得到整个组合式散射体的基于模块分解的雷达截面解析模型：

在远场条件下，将所述基于组件分解的雷达截面解析模型和基于模块分解的雷达截面解析模型进行比对，根据比对结果对所述基于组件分解的雷达截面解析模型进行验证，验证随着入射角度变化的双基雷达截面。

5.根据权利要求4所述的组合式散射体的雷达截面的计算方法，其特征在于，所述的方法还包括：

将所述基于组件分解的雷达截面解析模型应用到射线跟踪仿真器中，将应用了所述基于组件分解的雷达截面解析模型的射线跟踪仿真器输出的雷达测量数据，与实际场景中的所述射线跟踪仿真器输出的雷达测量数据进行比对，根据比对结果对所述基于组件分解的雷达截面解析模型进行验证，验证随着入射角度变化的双基雷达截面。

6.根据权利要求4所述的组合式散射体的雷达截面的计算方法，其特征在于，所述的方法还包括：

在远场条件下，对所述组合式散射体整体的雷达截面进行全波分析仿真，根据全波分析仿真结果对组合式散射体整体的雷达截面进行验证；

或者，采用电波暗室中的自由空间雷达截面测量方法，对所述组合式散射体整体的雷达截面进行验证。