CN106570251A - 一种THz波段雷达目标电磁散射建模方法 - Google Patents

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武亚君
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Abstract

本发明涉及THz波段雷达目标电磁散射建模方法，首先建立不同起伏高度的高斯粗糙表面模型；其次对三面角反射器进行四边形网格剖分；然后采用数据结构组织剖分四边形网格的顶点拓扑关系，与生成的粗糙表面叠加即可生成THz波段电磁计算所需的几何输入；最后采用高频方法(物理光学法、弹跳射线法)计算电磁散射特性。本发明在假设表面粗糙目标为高斯分布的前提下，采用高频电磁计算方法建模。考虑到THz波段，雷达目标处于光学区，高频电磁计算方法适用于THz雷达目标特性的求解。

Description

一种THz波段雷达目标电磁散射建模方法
技术领域
本发明涉及雷达目标特性仿真技术，特别涉及一种THz波段雷达目标电磁散射建模方法。
背景技术
雷达目标的电磁散射特性与几何建模、电磁建模有着密不可分的关系。当电磁波频率由微波波段上升到THz波段时，首当其冲的问题就是目标的几何建模。对于微波波段来说光滑的表面，在THz波段下不能简单如此处理，粗糙特性带来的影响不可忽略。
国防科学技术大学在专利“一种THz频段表面粗糙目标电磁散射的计算方法”(公开号：CN104992035A)中，提出了一种面片分级的半确定目标建模方法，并采用E.Bahar针对粗糙面散射问题提出的全波理论实现对表面粗糙目标的电磁散射计算。基于面片分级的半确定目标建模方法能够满足既描绘目标性状又反映目标表面的粗糙特征的要求，同时降低了目标模型占用的存储空间；哈尔滨工业大学在专利“基于单支连续THz激光源的RCS测试装置”(公开号：CN102435987A)中，属于THz雷达散射截面测量技术领域，解决了2.5THz波段的不同尺寸目标雷达散射截面的测量问题。
但是，THz波段雷达目标多属电大尺寸范畴，国防科学技术大学在专利中采用数值方法建模，在计算效率会受到很大限制；哈尔滨工业大学在专利中采用测试手段获取THz波段目标电磁散射特性，没有讨论粗糙度对散射特性的影响。
发明内容
为了克服当前技术存在的缺陷，本发明提供一种THz波段雷达目标电磁散射建模方法，建立不同起伏高度的高斯分布粗糙表面的模型；将粗糙表面叠加雷达目标表面网格，产生THz波段所需的几何输入模型；采用高频近似方法计算电磁散射特性。
优选地，高斯分布的粗糙表面由高度相关函数做二维傅里叶变换生成：
其中，σz为粗糙面的均方根高度，Lcx和Lcy分别为粗糙面在x和y两个方向上的相关长度；
对产生的粗糙表面进行均方根高度起伏统计；根据粗糙表面的均方根高度、相关长度，通过傅里叶变换获取粗糙表面的几何信息。
优选地，起伏均方根高度在波长的1/256，作为雷达目标表面光滑的判据。
优选地，所述THz波段雷达目标电磁散射建模方法中，对三面角反射器进行四边形网格剖分；采用四叉树数据结构组织剖分四边形网格的顶点拓扑关系，将其与生成的粗糙表面叠加，生成THz波段电磁计算所需的几何输入信息。
优选地，所述高频近似方法是物理光学法或弹跳射线法。
综上所述，本发明提供一种THz波段雷达目标电磁散射建模方法，在假设表面粗糙目标为高斯分布的前提下，采用高频电磁计算方法建模。考虑到THz波段，雷达目标处于光学区，高频电磁计算方法适用于THz雷达目标特性的求解。
附图说明
图1是THz波段不同起伏高度三面角反射器几何建模示意图。
图2是三面角反射器RCS变化曲线。
图3是网格剖分示意图。
具体实施方式
以下说明本发明的具体实施方式。
1.采用粗糙表面与雷达目标叠加几何建模THz雷达目标。
目前THz波段下目标特性的计算多是基于微波波段的目标表面光滑假设。由于THz波段波长已达到0.3mm，这种假设在实际情况中很难成立。由瑞利判据可知，不同高度起伏的粗糙表面会对目标散射特性产生不同程度的影响。
不妨假设目标表面粗糙起伏符合高斯随机分布(这种假设与现实情况相符)。高斯分布粗糙表面可由高度相关函数做二维傅里叶变换生成，相关函数表达式为
其中，σz为粗糙面的均方根高度，Lcx和Lcy分别为粗糙面在x和y两个方向上的相关长度。一旦粗糙表面均方根高度、相关长度确定，可以通过傅里叶变换获取粗糙表面的几何信息。
由上述相关函数生成的二维粗糙表面叠加雷达目标表面网格，产生THz波段所需的几何输入模型。由于采用高频方法(物理光学法、弹跳射线法)计算电磁散射特性，为了叠加的方便可行，可以采用四边形网格剖分。采用数据结构组织剖分四边形网格的顶点拓扑关系，与生成的粗糙表面叠加即可生成所需的THz波段电磁计算所需的几何输入。
2.提出雷达目标表面光滑更为严格的判据。
随着电磁波工作频率提高到THz波段，对于微波来说光滑的表面，可能在THz波段下会显得很粗糙。表面光滑度的判据主要有以下三种：
(1)瑞利判据指出，如果两点的反射程差的相位差Δφ小于π/2弧度，那么该表面可以认为是光滑的，于是导出：
其中z为表面上两点的高度差，θ为电磁波的入射角。
(2)对于用表面高度标准离差h来表征的随机表面，瑞利判据可用下式来表达，即将(2)式中的z替换成h。
(3)瑞利判据用于作为表面粗糙度的一阶分类器是很合适的，但是在微波波段，波长与表面的h值可以相比拟，必须借助于更严格的判据，即弗兰霍夫判据
满足上式条件的表面可以认为是光滑的。
上述判据的对象是地海粗糙表面，一方面建模精度要求不高，另一方面不是雷达回波的主要分量。通过大量建模仿真可知，在THz波段，上述判据远远不能满足光滑判据的要求。为了与光滑曲面RCS特性达到1dB之内的误差，要求起伏均方根高度在波长的1/256可以显著接近目标光滑特性需求。
此即为雷达目标表面光滑的判据。
本发明所述THz波段雷达目标电磁散射建模方法，其实现流程(以三面角反射器为实例)如下：
首先建立不同起伏高度的高斯粗糙表面模型；其次对三面角反射器进行四边形网格剖分；然后采用数据结构组织剖分四边形网格的顶点拓扑关系，与生成的粗糙表面叠加即可生成所需的THz波段电磁计算所需的几何输入；最后采用高频方法(物理光学法、弹跳射线法)计算电磁散射特性。为了分析粗糙表面高度起伏的影响，可以和光滑表面目标的电磁散射特性相比。最终根据误差要求确定雷达目标视为光滑的条件。
在1THz工作频率下，通过粗糙表面(不同高度起伏)叠加三面角反射器(边长1cm)表面网格，产生仿真所需的几何输入模型，如图1所示。图2所示的是俯仰角45°，方位角0°-90°，在1THz工作频率下图1所示的三面角反射器RCS变化曲线。由图可知，弗兰霍夫判据中高度起伏＜波长的1/32(采用了更为严格的波长的1/64)，RCS误差约在10dB左右，这不能满足仿真和测试要求。当起伏高度＜波长的1/256，RCS误差可在1dB以内。
根据THz波段雷达目标电磁散射建模方法，在一个具体示例中实现的步骤如下：
步骤1：建立不同起伏高度的高斯粗糙表面模型。产生高斯粗糙表面模型的方法可以参照现技术。同时，对产生的粗糙表面进行均方根高度起伏统计，以便对比不同起伏对RCS产生的数值影响。
步骤2：对三面角反射器进行四边形网格剖分，如图3所示。采用四边形网格剖分主要是为了与步骤1中的产生粗糙表面模型容易叠加。
步骤3：采用四叉树数据结构组织剖分四边形网格的顶点拓扑关系(三维空间顶点关系以二维组织结构呈现)，与生成的粗糙表面叠加(步骤1中的粗糙表面也采用四叉树组织)即可生成所需的THz波段电磁计算所需的几何输入(由点表面表组织而成的计算目标几何信息，一般为三角形、四边形)。
步骤4：采用高频近似方法(弹跳射线法)计算电磁散射特性。弹跳射线法是一种基于几何光学和物理光学的混合方法。为了分析粗糙表面高度起伏的影响，可以和光滑表面目标的电磁散射特性相比。
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 (5)

1.一种THz波段雷达目标电磁散射建模方法，其特征在于，
建立不同起伏高度的高斯分布粗糙表面的模型；
将粗糙表面叠加雷达目标表面网格，产生THz波段所需的几何输入模型；
采用高频近似方法计算电磁散射特性。
2.如权利要求1所述THz波段雷达目标电磁散射建模方法，其特征在于，高斯分布的粗糙表面由高度相关函数做二维傅里叶变换生成：
C z ( x , y ) = σ z 2 e [ - ( x L c x ) 2 - ( y L c y ) 2 ]
其中，σz为粗糙面的均方根高度，Lcx和Lcy分别为粗糙面在x和y两个方向上的相关长度；
对产生的粗糙表面进行均方根高度起伏统计；根据粗糙表面的均方根高度、相关长度，通过傅里叶变换获取粗糙表面的几何信息。
3.如权利要求2所述THz波段雷达目标电磁散射建模方法，其特征在于，起伏均方根高度在波长的1/256，作为雷达目标表面光滑的判据。
4.如权利要求1～3中任意一项所述THz波段雷达目标电磁散射建模方法，其特征在于，
对三面角反射器进行四边形网格剖分；
采用四叉树数据结构组织剖分四边形网格的顶点拓扑关系，将其与生成的粗糙表面叠加，生成THz波段电磁计算所需的几何输入信息。
5.如权利要求1所述THz波段雷达目标电磁散射建模方法，其特征在于，所述高频近似方法是物理光学法或弹跳射线法。
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