CN106326579A - 一种基于电磁散射技术的地海环境可视化生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于电磁散射技术的地海环境可视化生成方法，与现有技术相比解决了无法对地海环境进行可视化仿真模拟的缺陷。本发明包括以下步骤：实际物理背景的获取；构建入射粗糙面模型；基于粗糙面的模型获取矩阵方程；地面环境目标或海面环境目标的电磁散射系数的计算；地海环境可视化的实现。本发明利用矩量法、快速多极子方法或特征基函数计算出一维导体/介质粗糙面和海面的电磁散射，对地海环境实现可视化模拟。

Description

一种基于电磁散射技术的地海环境可视化生成方法

技术领域

本发明涉及电磁场散射仿真分析技术领域，具体来说是一种基于电磁散射技术的地海环境可视化生成方法。

背景技术

随机粗糙表面电磁散射特性的研究是雷达环境遥感和目标探测的基础，近些年来有关这方面的研究取得了一系列重要的进展，并引起了越来越多学者的关注，研究随机粗糙面的电磁散射对于提高雷达的性能具有十分重要的意义，因为随机粗糙表面的电磁散射特性与确定性目标的电磁散射特性有着诸多的区别。通常情况下，随机粗糙表面轮廓采用统计参数来描述，如均方根高度、相关长度和分维数等，这一点明显区别于确定性目标的电磁散射问题。正因为随机粗糙表面的电磁散射问题与确定性目标的电磁散射问题有诸多不同，在军事领域和民用领域都有广泛的应用。

随着电磁理论的发展和完善，为电磁软件的商业化用途提供了保证。由于电磁散射在民用方面的作用日益明显，从而催生了商用的电磁仿真软件的快速发展。如在市场上比较受欢迎的有美国REMCOM公司基于时域有限差分方法(FDTD)开发的XFDTD软件，德国Computer Simulation Technology公司开发基于时域有限积分方法(TDIE)开发CST软件，Ansoft公司基于有限元开发的HFSS软件以及Ansys公司基于矩量法、多极子技术和高频方法开发FEKO软件等。

而地海环境的模拟及可视化一直是行业内的技术难题，其难度在于地海环境的特殊地理起伏环境所带来的基础数据难以采集、处理的问题，因此如何利用电磁散射技术对地海环境进行仿真模拟已经成为急需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中无法对地海环境进行可视化仿真模拟的缺陷，提供一种基于电磁散射技术的地海环境可视化生成方法来解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于电磁散射技术的地海环境可视化生成方法，包括以下步骤：

实际物理背景的获取，利用电磁散射技术对地面环境或海面环境进行探测，获取实际物理背景参数；

构建入射粗糙面模型，根据实际物理背景参数，基于电磁散射技术对入射平面波参数和所入射的粗糙面参数进行设置，构建入射平面波方程b和入射粗糙面的模型；

基于粗糙面的模型获取矩阵方程，根据实际物理背景选择相应的极化方式，建立粗糙面上的积分方程并离散为矩阵方程；

地面环境目标或海面环境目标的电磁散射系数的计算，根据获得的入射平面波方程b和矩阵方程Z，建立阻抗矩阵方程组，通过求解阻抗矩阵方程组得到粗糙面模型表面的电流系数；根据电流系数得到待求的地面环境目标或海面环境目标表面的电流分布，计算出地面环境目标或海面环境目标的电磁散射系数；

地海环境可视化的实现，将地面环境目标或海面环境目标的电磁散射系数的计算步骤用Fortran语言实现，将Fortran语言源代码编制成Fortran动态链接库DLL文件,用C#用户界面调用该DLL文件实现混合编程，实现地海环境的可视化。

所述的构建入射粗糙面模型包括以下步骤：

根据实际物理背景设置参数，其包括入射波参数、粗糙面参数，

其中，入射波参数包括：频率、入射角，粗糙面参数包括样本个数M、采样点数N、每个波长的采样点数N1；

若实际物理背景为对地面环境进行探测，则设置粗糙地面参数，包括纵向特征参数、横向特征参数、介电常数；

若实际物理背景为对海面环境进行探测，则设置风速、介电常数；

通过参数设置从而得到入射波方程b,入射波方程b的元素表达式如下：

b_m＝Ψ^inc(x_m,f(x_m))，

其中Ψ^inc(x_m,f(x_m))为(x_m,f(x_m))位置处的入射波；

采用入射波能量高斯分布的锥形波作为入射波，其表达式为

${\mathrm{\Ψ}}^{inc}\left(r\right)=\exp \[{\mathrm{ik}}_0(x{\mathrm{sin\θ}}_i-z{\mathrm{cos\θ}}_i)(1+w(r\left)\right)\]\exp (-\frac{{(x+{\mathrm{ztan\θ}}_i)}^2}{g^2}),$

式中：w(r)＝[2(x+ztanθ_i)²/g²-1]/(k₀gcosθ_i)²

其中，r表示位置(x,z)，i满足i²＝-1，k₀是入射空间的波数因子，θ_i是入射角，g为锥形波因子；

基于地海环境高度起伏的功率谱并结合蒙特卡罗技术构建粗糙面模型f。

所述的基于粗糙面的模型获取矩阵方程包括以下步骤：

根据入射波的实际物理特性，选择极化方式；若为TE波入射,则选择HH极化；若为TM波入射,则选择VV极化；

根据入射波的实际物理特性，建立积分方程，其中：

HH极化利用狄利克莱边界条件建立电场积分方程，VV极化利用诺依曼边界条件建立磁场积分方程；

根据粗糙面的尺寸、计算精度或时间需求选择计算方法，得出阻抗矩阵方程Z。

所述的地面环境目标或海面环境目标的电磁散射系数的计算包括以下步骤：

建立阻抗矩阵方程组，其方程组如下：

Z·I＝b，

其中，在矩量法和特征基函数法中，Z为满阵形式的阻抗矩阵方程；

在快速多极子法中，Z为两个对角矩阵与一个弱对角矩阵的乘积并与一个弱对角矩阵的和共同构成的矩阵方程Z；

I为粗糙面的表面感应电流分布，b为入射波方程；

若为矩量法，则采用LU分解法或者共轭梯度法求解阻抗矩阵方程组，获得粗糙面的表面感应电流分布I，

若为快速多极子法，根据其阻抗矩阵方程Z的特征结合共轭梯度法获得粗糙面的表面感应电流分布I；

若为特征基函数法，根据Foldy-Lax多径散射方程构造特征基函数，将分域基函数的子域按组排列，构造各子域的主要特征基函数，基于各子域之间的耦合效应构造次要特征基函数，由主要特征基函数和次要特征基函数获得粗糙面的表面感应电流分布I，

根据散射场与表面感应电流之间的物理关系，并结合入射波的入射功率获得地海面的电磁散射系数。

所述的地海环境可视化的实现包括以下步骤：

利用Fortran PowerStation建立动态链接库，在Fortran PowerStation开发环境下新建工程，其类型选为“Dynamic-Link library"，并命名工程；编写源程序、命名，插入工程或将一个只含有函数或子程序的Fortran程序加人到Project中，编译通过即可生成动态链接库；

利用建立动态链接库通过C#进行调用，生成地海环境的仿真可视化。

所述的根据粗糙面的尺寸、计算精度或时间需求选择计算方法，得出阻抗矩阵方程Z包括以下步骤：

基于计算精度的高要求，采用分域脉冲基函数并结合点匹配技术，利用矩量法将积分方程离散为满阵形式的阻抗矩阵方程Z；

基于采样点数N大于4096且要求计算速度快，

将粗糙面均分为N段，产生N个子散射体，并按照其在x轴上的位置均分为G组，每组包含的段数为M＝N/G；

将每组内的子散射体只直接作用于一个固定的集线器，根据各组的集线器的位置，采用加法定理处理积分方程的积分核函数，使用快速多极子法将普通矩量法满阵形式的阻抗矩阵改变为两个对角矩阵与一个弱对角矩阵的乘积，并与一个弱对角矩阵的和，共同构成出矩阵方程Z；

基于采样点数N大于2048，将粗糙面的N个子散射体按照他们在x轴上的位置均分为G组，即每组包含的段数为M＝N/G；

根据Foldy-Lax多径散射方程构造特征基函数，使用特征基函数法将普通适矩量法满阵形式的阻抗矩阵改变为特征基函数法的特征矩阵方程Z。

有益效果

本发明的一种基于电磁散射技术的地海环境可视化生成方法，与现有技术相比利用矩量法(MOM)、快速多极子方法(FMM)或特征基函数(CBFM)计算出一维导体/介质粗糙面和海面的电磁散射，对地海环境实现可视化模拟，为非从事电磁专业领域的工作人员对地海环境的研究提供了支持和便利。

附图说明

图1为本发明的方法顺序图。

具体实施方式

为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：

如图1所示，本发明所述的一种基于电磁散射技术的地海环境可视化生成方法，包括以下步骤：

第一步，实际物理背景的获取。利用电磁散射技术对地面环境或海面环境进行探测，获取实际物理背景参数，即根据实际探测雷达的频率等特征参数获得实际地面环境或海面环境的物理背景参数。

第二步，构建入射粗糙面模型。根据实际物理背景参数，基于电磁散射技术对入射平面波参数和所入射的粗糙面参数进行设置，构建入射平面波方程b和入射粗糙面的模型。其具体步骤如下：

(1)根据实际物理背景设置参数，其包括入射波参数、粗糙面参数，

其中，入射波参数包括：频率(Ghz波段)、入射角(0-85度)，粗糙面参数包括样本个数M、采样点数N、每个波长的采样点数N1。其中样本个数M大于等于1、采样点数N为2的n次幂、每个波长的采样点数N1可以为10个。

(2)若实际物理背景为对地面环境进行探测，则设置粗糙地面参数，包括纵向特征参数、横向特征参数、介电常数。其中，介电常数是负数，分为实部和虚部两部分，这两部分均为实数。

若实际物理背景为对海面环境进行探测，则设置风速、介电常数。

(3)通过参数设置从而得到入射波方程b,其中，入射波方程b的元素表达式如下：

b_m＝Ψ^inc(x_m,f(x_m))，

其中Ψ^inc(x_m,f(x_m))为(x_m,f(x_m))位置处的入射波。

为了避免模拟粗糙面尺寸的有限，在此采用入射波能量高斯分布的锥形波作为入射波，其表达式为

${\mathrm{\Ψ}}^{inc}\left(r\right)=\exp \[{\mathrm{ik}}_0(x{\mathrm{sin\θ}}_i-z{\mathrm{cos\θ}}_i)(1+w(r\left)\right)\]\exp (-\frac{{(x+{\mathrm{ztan\θ}}_i)}^2}{g^2}),$

式中w(r)＝[2(x+ztanθ_i)²/g²-1]/(k₀gcosθ_i)²；

其中，r表示位置(x,z)，i满足i²＝-1，k₀是入射空间的波数因子，θ_i是入射角，g为锥形波因子。

(4)基于传统的地海环境高度起伏的功率谱结合蒙特卡罗技术构建出粗糙面模型f。

第三步，基于粗糙面的模型获取矩阵方程。根据实际物理背景选择相应的极化方式，建立粗糙面上的积分方程并离散为矩阵方程。其具体步骤如下：

(1)根据入射波的实际物理特性，选择极化方式。若为TE波入射,则选择HH极化；若为TM波入射,则选择VV极化。

(2)根据入射波的实际物理特性，建立积分方程，其中：

HH极化利用狄利克莱边界条件建立电场积分方程，VV极化利用诺依曼边界条件建立磁场积分方程；

(3)根据粗糙面的尺寸、计算精度或时间需求选择计算方法，得出阻抗矩阵方程Z。其中：

A、若基于计算精度的高要求，采用分域脉冲基函数并结合点匹配技术，利用矩量法将积分方程离散为满阵形式的阻抗矩阵方程Z。

B、若基于采样点数N大于4096(粗糙面尺寸过大)且要求计算速度快，则：

将粗糙面均分为N段，产生N个子散射体，并按照其在x轴上的位置均分为G组，每组包含的段数为M＝N/G；

将每组内的子散射体只直接作用于一个固定的“集线器”(该组的“组长”)，根据各组的“集线器”(“组长”)的位置，采用加法定理处理积分方程的积分核函数，使用快速多极子法将普通矩量法满阵形式的阻抗矩阵改变为两个对角矩阵与一个弱对角矩阵的乘积，并与一个弱对角矩阵的和，共同构成出矩阵方程Z。

C、若基于采样点数N大于2048(粗糙面尺寸过大)，将粗糙面的N个子散射体按照他们在x轴上的位置均分为G组，即每组包含的段数为M＝N/G。根据Foldy-Lax多径散射方程构造特征基函数，使用特征基函数法将普通适矩量法满阵形式的阻抗矩阵改变为特征基函数法的特征矩阵方程Z。

第四步，地面环境目标或海面环境目标的电磁散射系数的计算。根据获得的入射平面波方程b和矩阵方程Z，建立阻抗矩阵方程组，通过求解阻抗矩阵方程组得到粗糙面模型表面的电流系数；根据电流系数得到待求的地面环境目标或海面环境目标表面的电流分布，计算出地面环境目标或海面环境目标的电磁散射系数。其具体步骤如下：

(1)建立阻抗矩阵方程组，其方程组如下：

Z·I＝b，

其中，在矩量法和特征基函数法中，Z为满阵形式的阻抗矩阵方程；

在快速多极子法中，Z为两个对角矩阵与一个弱对角矩阵的乘积，并与一个弱对角矩阵的和共同构成的矩阵方程Z；

I为粗糙面模型表面感应电流分布，b为入射波方程。

(2)若为矩量法，则采用LU分解或者共轭梯度法求解阻抗矩阵方程组，获得粗糙面的表面感应电流分布I；

若为快速多极子法，根据其阻抗矩阵方程Z的特征结合共轭梯度法获得粗糙面的表面感应电流分布I；

若为特征基函数法，根据Foldy-Lax多径散射方程构造特征基函数，将分域基函数的子域按组排列，构造各子域的主要特征基函数，基于各子域之间的耦合效应构造次要特征基函数，由主要特征基函数和次要特征基函数获得粗糙面的表面感应电流分布I；

(3)根据散射场与表面感应电流之间的物理关系，并结合入射波的入射功率获得地海面的电磁散射系数。

第五步，地海环境可视化的实现。利用现有的软件实现技术，将地面环境目标或海面环境目标的电磁散射系数的计算步骤用Fortran语言实现，将Fortran语言源代码编制成Fortran动态链接库DLL文件,用C#用户界面调用该DLL文件实现混合编程，实现地海环境的可视化。

其具体步骤如下：

(1)将地面环境目标或海面环境目标的电磁散射系数的计算步骤用Fortran语言实现，利用Fortran PowerStation建立动态链接库，在Fortran PowerStation开发环境下新建工程，其类型选为“Dynamic-Link library"，并命名工程；编写源程序、命名，插入工程或将一个只含有函数或子程序的Fortran程序加人到Project中，编译通过即可生成动态链接库。

(2)利用建立动态链接库通过C#进行调用，生成地海环境的仿真可视化。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (6)

1.一种基于电磁散射技术的地海环境可视化生成方法，其特征在于，包括以下步骤：

11)实际物理背景的获取，利用电磁散射技术对地面环境或海面环境进行探测，获取实际物理背景参数；

12)构建入射粗糙面模型，根据实际物理背景参数，基于电磁散射技术对入射平面波参数和所入射的粗糙面参数进行设置，构建入射平面波方程b和入射粗糙面的模型；

13)基于粗糙面的模型获取矩阵方程，根据实际物理背景选择相应的极化方式，建立粗糙面上的积分方程并离散为矩阵方程；

14)地面环境目标或海面环境目标的电磁散射系数的计算，根据获得的入射平面波方程b和矩阵方程Z，建立阻抗矩阵方程组，通过求解阻抗矩阵方程组得到粗糙面模型表面的电流系数；根据电流系数得到待求的地面环境目标或海面环境目标表面的电流分布，计算出地面环境目标或海面环境目标的电磁散射系数；

15)地海环境可视化的实现，将地面环境目标或海面环境目标的电磁散射系数的计算步骤用Fortran语言实现，将Fortran语言源代码编制成Fortran动态链接库DLL文件,用C#用户界面调用该DLL文件实现混合编程，实现地海环境的可视化。

2.根据权利要求1所述的一种基于电磁散射技术的地海环境可视化生成方法，其特征在于，所述的构建入射粗糙面模型包括以下步骤：

21)根据实际物理背景设置参数，其包括入射波参数、粗糙面参数，

其中，入射波参数包括频率、入射角，粗糙面参数包括样本个数M、采样点数N、每个波长的采样点数N1；

22)若实际物理背景为对地面环境进行探测，则设置粗糙地面参数，包括纵向特征参数、横向特征参数、介电常数；

若实际物理背景为对海面环境进行探测，则设置风速、介电常数；

23)通过参数设置从而得到入射波方程b,入射波方程b的元素表达式如下：

b_m＝Ψ^inc(x_m,f(x_m))，

其中Ψ^inc(x_m,f(x_m))为(x_m,f(x_m))位置处的入射波；

采用入射波能量高斯分布的锥形波作为入射波，其表达式为

${\mathrm{\Ψ}}^{inc}\left(r\right)=\exp \[{\mathrm{ik}}_0(x{\mathrm{sin\θ}}_i-z{\mathrm{cos\θ}}_i)(1+w(r\left)\right)\]\exp (-\frac{{(x+z{\mathrm{tan\θ}}_i)}^2}{g^2}),$

式中：w(r)＝[2(x+ztanθ_i)²/g²-1]/(k₀gcosθ_i)²

其中，r表示位置(x,z)，i满足i²＝-1，k₀是入射空间的波数因子，θ_i是入射角，g为锥形波因子；

24)基于地海环境高度起伏的功率谱并结合蒙特卡罗技术构建粗糙面模型f。

3.根据权利要求1所述的一种基于电磁散射技术的地海环境可视化生成方法，其特征在于，所述的基于粗糙面的模型获取矩阵方程包括以下步骤：

31)根据入射波的实际物理特性，选择极化方式；若为TE波入射,则选择HH极化；若为TM波入射,则选择VV极化；

32)根据入射波的实际物理特性，建立积分方程，其中：

HH极化利用狄利克莱边界条件建立电场积分方程，VV极化利用诺依曼边界条件建立磁场积分方程；

33)根据粗糙面的尺寸、计算精度或时间需求选择计算方法，得出阻抗矩阵方程Z。

4.根据权利要求1所述的一种基于电磁散射技术的地海环境可视化生成方法，其特征在于，所述的地面环境目标或海面环境目标的电磁散射系数的计算包括以下步骤：

41)建立阻抗矩阵方程组，其方程组如下：

Z·I＝b，

其中，在矩量法和特征基函数法中，Z为满阵形式的阻抗矩阵方程；

在快速多极子法中，Z为两个对角矩阵与一个弱对角矩阵的乘积并与一个弱对角矩阵的和共同构成的矩阵方程Z；

I为粗糙面的表面感应电流分布，b为入射波方程；

42)若为矩量法，则采用LU分解法或者共轭梯度法求解阻抗矩阵方程组，获得粗糙面的表面感应电流分布I，

若为快速多极子法，根据其阻抗矩阵方程Z的特征结合共轭梯度法获得粗糙面的表面感应电流分布I；

若为特征基函数法，根据Foldy-Lax多径散射方程构造特征基函数，将分域基函数的子域按组排列，构造各子域的主要特征基函数，基于各子域之间的耦合效应构造次要特征基函数，由主要特征基函数和次要特征基函数获得粗糙面的表面感应电流分布I，

43)根据散射场与表面感应电流之间的物理关系，并结合入射波的入射功率获得地海面的电磁散射系数。

5.根据权利要求1所述的一种基于电磁散射技术的地海环境可视化生成方法，其特征在于，所述的地海环境可视化的实现包括以下步骤：

51)利用Fortran PowerStation建立动态链接库，在Fortran PowerStation开发环境下新建工程，其类型选为“Dynamic-Link library"，并命名工程；编写源程序、命名，插入工程或将一个只含有函数或子程序的Fortran程序加人到Project中，编译通过即可生成动态链接库；

52)利用建立动态链接库通过C#进行调用，生成地海环境的仿真可视化。

6.根据权利要求3所述的一种基于电磁散射技术的地海环境可视化生成方法，其特征在于，所述的根据粗糙面的尺寸、计算精度或时间需求选择计算方法，得出阻抗矩阵方程Z包括以下步骤：

61)基于计算精度的高要求，采用分域脉冲基函数并结合点匹配技术，利用矩量法将积分方程离散为满阵形式的阻抗矩阵方程Z；

62)基于采样点数N大于4096且要求计算速度快，

将粗糙面均分为N段，产生N个子散射体，并按照其在x轴上的位置均分为G组，每组包含的段数为M＝N/G；

将每组内的子散射体只直接作用于一个固定的集线器，根据各组的集线器的位置，采用加法定理处理积分方程的积分核函数，使用快速多极子法将普通矩量法满阵形式的阻抗矩阵改变为两个对角矩阵与一个弱对角矩阵的乘积，并与一个弱对角矩阵的和，共同构成出矩阵方程Z；

63)基于采样点数N大于2048，将粗糙面的N个子散射体按照他们在x轴上的位置均分为G组，即每组包含的段数为M＝N/G；

根据Foldy-Lax多径散射方程构造特征基函数，使用特征基函数法将普通适矩量法满阵形式的阻抗矩阵改变为特征基函数法的特征矩阵方程Z。