CN106556833A - 基于时域弹跳射线法快速近场计算的isar成像仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于时域弹跳射线法快速近场计算的ISAR成像仿真方法，包含：S1、给定目标的三角面片模型和瞬态入射场，该瞬态入射场为任意一种时域波形；S2、采用时域弹跳射线法的近场计算方法，计算时域平面波照射到目标三角面片模型时的瞬态近场散射回波；S3、对目标的瞬态近场散射回波，根据入射信号在频域进行归一化处理；S4、根据ISAR成像分辨率所需角度宽度及采样密度重复执行S2～S3，得到所取角度采样下的回波数据，进行方位向聚焦处理，得到目标ISAR图像。本发明可模拟真实的窄脉冲宽带雷达近距离成像探测，计算速度快，计算精度高，适用范围广，可为目标近场散射成像诊断提供预估数据，节省成本。

Description

基于时域弹跳射线法快速近场计算的ISAR成像仿真方法

技术领域

本发明涉及一种ISAR成像仿真方法，具体是指一种基于时域弹跳射线法快速近场计算的ISAR成像仿真方法，属于电磁场计算及其应用领域。

背景技术

近场ISAR(Inverse Synthetic Aperture Radar，逆合成孔径雷达)成像仿真技术在目标散射特性诊断、近距离探测识别等领域具有重要作用。时域电磁算法可以模拟宽带脉冲与目标的相互作用，与频域电磁算法相比，具有更快的宽带回波计算速度，也更接近脉冲雷达探测的实际情况。而时域弹跳射线法(TD-SBR)是一种有效的时域高频近似电磁算法，它在时域框架下实现多次弹跳射线追踪和物理光学(Physical Optics，PO)场计算，适用于电大尺寸目标宽带电磁散射回波的快速预估。基于面元远场格林函数近似技术，在确保所有观察点均处于面元的远场时，使用时域物理光学积分的近场闭合表达式，可实现TD-SBR快速近场计算。使用TD-SBR快速近场算法模拟目标ISAR成像，可为目标近场成像诊断提供预估判断，也可模拟传感器近场探测过程，具有重要的应用价值。

现有技术中，已有论文介绍时域射线追踪技术、近场物理光学积分方法、以及时域物理光学积分方法，但是未能组成实用的近场时域射线追踪技术，用于解决电大尺寸目标的近场成像诊断、近场探测识别等应用场景。另外，关于ISAR成像仿真，申请号为200910087133.6的专利《一种三维复杂目标的合成孔径雷达图像仿真方法》，描述了传统的频域远场SBR算法用于三维SAR成像仿真的过程。而申请号为201510627908.X的专利《一种扫描状态下船舶导航雷达二维回波序列像仿真方法》，只着重于描述SAR成像信号的处理算法，对于回波信号的获取则没有涉及；申请号为201510377077.5的专利《一种舰船ISAR图像结构特征提取方法》对于回波信号的获取，仅介绍了使用点散射模型进行仿真的方法。因此，目前尚未有任何基于时域近场电磁散射算法的ISAR成像仿真方法的研究内容或分析报告。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于时域弹跳射线法快速近场计算的ISAR成像仿真方法，可模拟真实的窄脉冲宽带雷达近距离成像探测，计算速度快，计算精度高，适用范围广，可为目标近场散射成像诊断提供预估数据，节省成本。

为了达到上述目的，本发明提供一种基于时域弹跳射线法快速近场计算的ISAR成像仿真方法，通过将时域弹跳射线法的近场计算方法与时域近场成像方法相结合，形成可模拟时域波形入射情形和近场接收情形的ISAR成像仿真；包含以下步骤：

S1、给定目标的三角面片模型和瞬态入射场；其中，所述的三角面片模型用于描述目标的几何外形；所述的瞬态入射场为任意一种时域波形；

S2、采用时域弹跳射线法的近场计算方法，计算S1中的时域平面波照射到S1中的目标三角面片模型时的瞬态近场散射回波，包含：

S21、采用射线追踪技术寻找光线弹跳路径，得到物理光学亮区；

S22、当物理光学亮区的三角面片尺寸不满足远场条件时，对物理光学亮区进行三角面片细分处理，直至满足远场条件；

S23、采用时域物理光学的近场计算公式确定瞬态散射场；

S3、一维距离像处理，对目标的瞬态近场散射回波，根据入射信号在频域进行归一化处理；

S4、方位向聚焦处理，根据ISAR成像分辨率所需角度宽度及采样密度重复执行S2～S3，得到所取角度采样下的回波数据，进行方位向聚焦处理，得到目标ISAR图像。

所述的S1中，瞬态入射场选取时域高斯脉冲。

所述的时域高斯脉冲为：

其中，ω＝2πf₀，t₀＝0.8τ，f₀是中心频率，τ为常数。

所述的S21中，具体包含以下步骤：

将S1中选取的时域高斯脉冲的平面波照射在S1中的目标三角面片模型上，在与入射方向垂直的平面上设置入射口径；

设置入射光束，在光束与目标的每一次交点处计算时域光学场，直到光束逃逸出目标区域，得到光线弹跳路径，以及需要进行物理光学积分的三角面片，即物理光学亮区。

所述的S21中，入射口径的大小为目标在入射口径面上的投影的1.2倍至1.5倍。

所述的S22中，具体包含以下步骤：

判断物理光学亮区的三角面片尺寸是否满足远场条件的原则是：

其中，D为三角面片的最大线度，r_ff为该三角面片对应的远场条件，λ为入射波长；

判断三角面片的中心与观察点间的距离r是否大于r_ff；当r＞r_ff时，表示PO亮区的三角面片尺寸满足远场条件；当r≤r_ff时，表示PO亮区的三角面片尺寸不满足远场条件，此时对PO亮区进行三角面片细分处理，直至满足远场条件，确保所有观察点均处于面元的远场。

所述的S23中，基于面元远场格林函数近似技术，在确保所有观察点均处于面元的远场时，使用时域物理光学积分的近场闭合表达式，实现时域弹跳射线法的快速近场计算；具体包含以下步骤：

表示场点，表示源点，表示源点到场点的距离；其中，且

时域物理光学应用于时域弹跳射线法的近场射线的积分公式为：

其中，c是真空中光速，是散射波的归一化矢量，是射线第M次弹跳后形成的入射波归一化矢量，是射线第M次弹跳后形成的入射波的归一化极化方向，为源点处的外法向单位矢量，O_M-1是O_M相对于三角面片所在平面的镜像点，O₀是初始入射点；

函数W(t)的表达式为：

其中，ΔS为出射三角形面积，为该三角面片的法相矢量， δ是冲击函数，δ'为其导数，I_μ(t)为三角面片的第μ条边的散射贡献，表达式为：

其中，t_d是入射平面波的波前到达坐标原点O的时间，ε是阶跃函数；

根据高频近似原理，计算所有PO亮区的三角面片积分的矢量和，即确定目标的总瞬态散射场，从而计算得到目标的瞬态近场散射回波数据。

所述的S3中，取f＝2/τ作为时域高斯脉冲的频宽，得到一维距离像的最小分辨率为：

所述的S4中，具体包含以下步骤：

设置方位向分辨率为ρ_x，且令方位向分辨率与距离向分辨率相等，即ρ_x＝ρ_r，则ISAR成像所需的角度宽度为：

根据目标区域大小确定方位向采样密度，重复执行S2～S3，得到所有角度采样下的回波数据，进行方位向聚焦处理，得到目标ISAR图像。

综上所述，本发明提供的基于时域弹跳射线法快速近场计算的ISAR成像仿真方法，具有以下优点和有益效果：能够模拟真实的窄脉冲宽带雷达近距离成像探测，为雷达设计提供参考参数，适用于电大尺寸目标电磁散射特性近场成像诊断预估，也可模拟雷达近距离成像探测识别过程，具有计算速度快、计算精度高、适用范围广等特点，可为目标近场散射成像诊断提供预估数据，节省成本。

附图说明

图1为本发明中的基于时域弹跳射线法快速近场计算的ISAR成像仿真方法的流程图；

图2A为本发明中的某目标的三角面片模型示意图；

图2B为本发明中的该目标前视方向入射时自动射线追踪得到的PO亮区分布示意图；

图3为本发明中的TD-PO积分式中相关矢量的示意图。

具体实施方式

以下结合图1～图3，详细说明本发明的优选实施例。

如图1所示，为本发明所述的基于时域弹跳射线法快速近场计算的ISAR成像仿真方法，通过将时域弹跳射线法(TD-SBR)的近场计算方法与时域近场成像方法相结合，形成可模拟时域波形入射情形和近场接收情形的ISAR成像仿真方法；包含以下步骤：

S1、给定目标的三角面片模型和瞬态入射场；其中，如图2A所示，所述的三角面片模型用于描述目标的几何外形；所述的瞬态入射场为任意一种时域波形；

S2、采用TD-SBR近场计算方法，与传统的频域SBR计算方法不同，通过增加的PO亮区三角面片细分方法，以及使用TD-PO(时域物理光学)近场计算公式确定瞬态散射场的方法，计算S1中的时域平面波照射到S1中的目标三角面片模型时的瞬态近场散射回波，包含：

S21、采用射线追踪技术寻找光线弹跳路径，得到PO亮区；

S22、当PO亮区的三角面片尺寸不满足远场条件时，对PO亮区进行三角面片细分处理，直至满足远场条件；

S23、采用TD-PO近场计算公式确定瞬态散射场；

S3、一维距离像处理，对目标的瞬态近场散射回波，根据入射信号在频域进行归一化处理；

S4、方位向聚焦处理，根据ISAR成像分辨率所需角度宽度及采样密度重复执行S2～S3，得到所取角度采样下的回波数据，进行方位向聚焦处理，得到目标ISAR图像。

本实施例中，所述的S1中，瞬态入射场选取时域高斯脉冲。

所述的时域高斯脉冲为：

其中，cos(ωt)这项为基波表达式，ω＝2πf₀，f₀是中心频率；这项为高斯函数，通常取t₀＝0.8τ，τ为常数，决定了高斯脉冲的宽度，且取f＝2/τ为时域高斯脉冲的频宽。

所述的S21中，具体包含以下步骤：

将S1中选取的时域波形(时域高斯脉冲)的平面波照射在S1中的目标三角面片模型上，在与入射方向垂直的平面上设置入射口径，入射口径的大小为目标在入射口径面上的投影的1.2倍至1.5倍；

按时域波形波长的1/10密度设置入射光束，在光束与目标的每一次交点处计算时域光学(TD-GO)场，直到光束逃逸出目标区域，得到光线弹跳路径，以及需要进行PO积分的三角面片，即PO亮区；如图2B所示，即为目标在前视方向入射时由射线追踪而得到的PO亮区的分布示意图。

所述的S22中，具体包含以下步骤：

判断PO亮区的三角面片尺寸是否满足远场条件的原则是：

其中，D为三角面片的最大线度，r_ff为该三角面片对应的远场条件，λ为入射波长；

判断三角面片的中心与观察点间的距离r是否大于r_ff；当r＞r_ff时，表示PO亮区的三角面片尺寸满足远场条件；当r≤r_ff时，表示PO亮区的三角面片尺寸不满足远场条件，此时对PO亮区进行三角面片细分处理，直至满足远场条件，确保所有观察点均处于面元的远场。

所述的S23中，基于面元远场格林函数近似技术，在确保所有观察点均处于面元的远场时，使用TD-PO积分的近场闭合表达式，实现TD-SBR快速近场计算；具体包含以下步骤：

如图3所示，是观察点(也称作场点)， 是三角面片上的其中一点(称作源点)， 是源点到场点的距离；

TD-PO应用于TD-SBR近场射线的积分公式为：

其中，c是真空中光速，是散射波的归一化矢量，是射线第M次弹跳后形成的入射波归一化矢量，是射线第M次弹跳后形成的入射波的归一化极化方向，为源点处的外法向单位矢量，O_M-1是O_M相对于三角面片所在平面的镜像点，O₀是初始入射点；

函数W(t)的表达式为：

其中，ΔS为出射三角形面积，为该三角面片的法相矢量， δ是冲击函数，δ'为其导数，I_μ(t)为三角面片的第μ条边的散射贡献，表达式为：

其中，t_d是入射平面波的波前到达坐标原点O的时间；和在大部分观察角度下都不为零，ε是阶跃函数；

根据高频近似原理，计算所有PO亮区的三角面片积分的矢量和，即确定目标的总瞬态散射场，从而计算得到目标的瞬态近场散射回波数据。

所述的S3中，取f＝2/τ作为时域波形(时域高斯脉冲)的频宽，得到一维距离像的最小分辨率为：

所述的S4中，具体包含以下步骤：

设置方位向分辨率为ρ_x，一般情况下，方位向分辨率与距离向分辨率相等，即ρ_x＝ρ_r，则ISAR成像所需的角度宽度为：

根据目标区域大小确定方位向采样密度，重复执行S2～S3，得到所有角度采样下的回波数据，进行方位向聚焦处理，得到目标ISAR图像。

综上所述，本发明所提供的基于时域弹跳射线法快速近场计算的ISAR成像仿真方法，采用时域框架下的高频近似算法，使用瞬时窄脉冲作为入射波形，使用弹跳射线法追踪射线路径及PO亮区，使用TD-PO近场解析积分公式计算瞬时散射场，得到目标的瞬态近场散射回波，在射线追踪过程中使用了TD-GO计算光学场，在TD-PO近场积分计算之前判断三角面片是否满足远场条件，并相应进行三角面片的加密，保证了近场计算的精度。

本发明所提供的基于时域弹跳射线法快速近场计算的ISAR成像仿真方法，具有以下优点和有益效果：可模拟瞬时窄脉冲照射下目标的瞬态近场散射回波，并通过角度累积生成合成孔径图像。可用于电大尺寸目标电磁散射特性近场成像诊断预估，也可模拟雷达近距离成像探测识别过程，从而为相关雷达成像算法设计、参数选择、性能评估提供参考。与传统频域算法相比，本发明具有计算速度快、计算精度高、适用范围广等特点，能够模拟真实的窄脉冲宽带雷达近距离成像探测，为雷达设计提供参考参数，可为目标近场散射成像诊断提供预估数据，节省成本。

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 (9)

1.一种基于时域弹跳射线法快速近场计算的ISAR成像仿真方法，其特征在于，通过将时域弹跳射线法的近场计算方法与时域近场成像方法相结合，形成可模拟时域波形入射情形和近场接收情形的ISAR成像仿真；包含以下步骤：

S1、给定目标的三角面片模型和瞬态入射场；其中，所述的三角面片模型用于描述目标的几何外形；所述的瞬态入射场为任意一种时域波形；

S2、采用时域弹跳射线法的近场计算方法，计算S1中的时域平面波照射到S1中的目标三角面片模型时的瞬态近场散射回波，包含：

S21、采用射线追踪技术寻找光线弹跳路径，得到物理光学亮区；

S22、当物理光学亮区的三角面片尺寸不满足远场条件时，对物理光学亮区进行三角面片细分处理，直至满足远场条件；

S23、采用时域物理光学的近场计算公式确定瞬态散射场；

S3、一维距离像处理，对目标的瞬态近场散射回波，根据入射信号在频域进行归一化处理；

S4、方位向聚焦处理，根据ISAR成像分辨率所需角度宽度及采样密度重复执行S2～S3，得到所取角度采样下的回波数据，进行方位向聚焦处理，得到目标ISAR图像。

2.如权利要求1所述的基于时域弹跳射线法快速近场计算的ISAR成像仿真方法，其特征在于，所述的S1中，瞬态入射场选取时域高斯脉冲。

3.如权利要求2所述的基于时域弹跳射线法快速近场计算的ISAR成像仿真方法，其特征在于，所述的时域高斯脉冲为：

$E_i\left(t\right)=cos\left(\mathrm{\ω}t\right)e^{-\frac{4\mathrm{\π}{(t-t_0)}^2}{{\mathrm{\τ}}^2}};$

其中，ω＝2πf₀，t₀＝0.8τ，f₀是中心频率，τ为常数。

4.如权利要求3所述的基于时域弹跳射线法快速近场计算的ISAR成像仿真方法，其特征在于，所述的S21中，具体包含以下步骤：

将S1中选取的时域高斯脉冲的平面波照射在S1中的目标三角面片模型上，在与入射方向垂直的平面上设置入射口径；

设置入射光束，在光束与目标的每一次交点处计算时域光学场，直到光束逃逸出目标区域，得到光线弹跳路径，以及需要进行物理光学积分的三角面片，即物理光学亮区。

5.如权利要求4所述的基于时域弹跳射线法快速近场计算的ISAR成像仿真方法，其特征在于，所述的S21中，入射口径的大小为目标在入射口径面上的投影的1.2倍至1.5倍。

6.如权利要求4所述的基于时域弹跳射线法快速近场计算的ISAR成像仿真方法，其特征在于，所述的S22中，具体包含以下步骤：

判断物理光学亮区的三角面片尺寸是否满足远场条件的原则是：

$r_{ff}=\frac{2D^2}{\mathrm{\λ}};$

其中，D为三角面片的最大线度，r_ff为该三角面片对应的远场条件，λ为入射波长；

判断三角面片的中心与观察点间的距离r是否大于r_ff；当r＞r_ff时，表示PO亮区的三角面片尺寸满足远场条件；当r≤r_ff时，表示PO亮区的三角面片尺寸不满足远场条件，此时对PO亮区进行三角面片细分处理，直至满足远场条件，确保所有观察点均处于面元的远场。

7.如权利要求6所述的基于时域弹跳射线法快速近场计算的ISAR成像仿真方法，其特征在于，所述的S23中，基于面元远场格林函数近似技术，在确保所有观察点均处于面元的远场时，使用时域物理光学积分的近场闭合表达式，实现时域弹跳射线法的快速近场计算；具体包含以下步骤：

表示场点，表示源点，表示源点到场点的距离；其中，且

时域物理光学应用于时域弹跳射线法的近场射线的积分公式为：

$E^s(r,t)=\frac{1}{2\mathrm{\π}rc}{\hat{k}}^s\×{\hat{k}}^s\×\[{\hat{n}}_M^{\′}\×{\hat{k}}_M^i\×{\hat{e}}_M^i\]E_i(t+{\hat{k}}_M^i\·O_{M-1}/c)*W\left(t\right);$

其中，c是真空中光速，是散射波的归一化矢量，是射线第M次弹跳后形成的入射波归一化矢量，是射线第M次弹跳后形成的入射波的归一化极化方向，为源点处的外法向单位矢量，O_M-1是O_M相对于三角面片所在平面的镜像点，O₀是初始入射点；

函数W(t)的表达式为：

$W\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\ΔS\δ}}^{\′}(t-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\μ}}),& \left|\stackrel{\→}{\mathrm{\α}}\right|=0\\ \frac{c}{|{\stackrel{\→}{\mathrm{\κ}}}_n\×\hat{n}{|}^2}\underset{\mathrm{\μ}=1}{\overset{N}{\Σ}}{I}_{\mathrm{\μ}}\left(t\right),& \left|\stackrel{\→}{\mathrm{\α}}\right|\≠0\end{array}\right.;$

其中，ΔS为出射三角形面积，为该三角面片的法相矢量， δ是冲击函数，δ'为其导数，I_μ(t)为三角面片的第μ条边的散射贡献，表达式为：

$I_{\mathrm{\μ}}\left(t\right)={\stackrel{\→}{\mathrm{\α}}}^{*}\·{\mathrm{\Δ\υ}}_{\mathrm{\μ}}\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{\δ}(t-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\μ}}),& \stackrel{\→}{\mathrm{\κ}}\·\mathrm{\Δ}{\stackrel{\→}{\mathrm{\υ}}}_{\mathrm{\μ}}=0\\ \frac{\mathrm{\ϵ}(t-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\μ}})-\mathrm{\ϵ}(t-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\μ}+1})}{\stackrel{\→}{\mathrm{\κ}}\·\mathrm{\Δ}{\stackrel{\→}{\mathrm{\υ}}}_{\mathrm{\μ}}},& \stackrel{\→}{\mathrm{\κ}}\·\mathrm{\Δ}{\stackrel{\→}{\mathrm{\υ}}}_{\mathrm{\μ}}\≠0\end{array}\right.$

其中，t_d是入射平面波的波前到达坐标原点O的时间，ε是阶跃函数；

根据高频近似原理，计算所有PO亮区的三角面片积分的矢量和，即确定目标的总瞬态散射场，从而计算得到目标的瞬态近场散射回波数据。

8.如权利要求7所述的基于时域弹跳射线法快速近场计算的ISAR成像仿真方法，其特征在于，所述的S3中，取f＝2/τ作为时域高斯脉冲的频宽，得到一维距离像的最小分辨率为：

${\mathrm{\ρ}}_r=\frac{c}{2f}=\frac{c\mathrm{\τ}}{4}.$

9.如权利要求8所述的基于时域弹跳射线法快速近场计算的ISAR成像仿真方法，其特征在于，所述的S4中，具体包含以下步骤：

设置方位向分辨率为ρ_x，且令方位向分辨率与距离向分辨率相等，即ρ_x＝ρ_r，则ISAR成像所需的角度宽度为：

$\mathrm{\α}=arcsin\frac{c}{2f_0{\mathrm{\ρ}}_x};$

根据目标区域大小确定方位向采样密度，重复执行S2～S3，得到所有角度采样下的回波数据，进行方位向聚焦处理，得到目标ISAR图像。