CN106770045A - 一种局部照射下目标激光散射特性的简便计算方法 - Google Patents

Abstract

一种局部照射下目标激光雷达散射截面的简便计算方法，属于目标探测、识别、隐身技术领域。本发明通过修改视景体参数，实现局部照射下目标激光雷达散射截面的简便计算。首先获取目标表面材质的双向反射分布函数；建立复杂目标的几何模型；读取目标几何模型文件，根据照射激光光斑尺寸及位置，设置视景体参数；调用OpenGL函数完成目标渲染及消隐处理，实现局部照射下目标的实时显示；最后获取目标激光雷达散射截面计算公式中各参数，完成局部照射下的目标激光雷达散射截面仿真计算。相较于现有算法，本发明采用的算法易操作，灵活性强，易于修改照射激光光斑尺寸及照射位置，可兼顾激光全覆盖或局部照射下目标的激光雷达散射截面仿真计算。

Description

一种局部照射下目标激光散射特性的简便计算方法

技术领域

本发明涉及一种局部照射下目标激光散射特性的简便计算方法，特别涉及一种局部照射下目标激光雷达散射截面的简便计算方法，属于目标探测、识别、隐身技术领域。

背景技术

目标激光散射特性是最重要的目标光学特性之一，是激光探测系统探测、识别目标的依据。研究目标激光散射特性，一方面可以使激光探测系统设计合理，更好地发挥系统的性能；另一方面可以促进军用设备的隐身研究，在战争中处于有利地位，提高生存能力。

目标激光雷达散射截面是目标激光散射特性的重要研究对象之一，它能够揭示目标的自身属性，全面反映目标表面材料及其粗糙度、目标几何结构形状等各种因素对目标激光散射特性的影响。目标激光雷达散射截面的研究方法主要包括全尺寸外场目标测量、实验室缩比模型测量以及理论建模。全尺寸外场测量时，由于大气环境、热晕等不确定因素的影响使得测量结果的稳定性降低，给定标带来困难，导致测量结果的可靠性降低。实验室缩比模型测量可以研究目标处在相对稳定的环境下的激光散射特性，但是复杂目标的激光雷达散射截面的缩比研究成果还不多。理论建模既可以获得外场测试中难以获得的实验数据，同时节约外场测试的费用开支，又在背景明确且急需的情况下有广泛的应用。目前，复杂目标激光雷达散射截面理论建模仿真计算常采用图形电磁计算方法和OpenGL图形库相结合的方法实现复杂目标激光雷达散射截面的快速计算,同时在计算机上实时显示复杂目标的几何模型。以前的研究结果表明，该方法具有良好的目标显示效果和快速的计算速度。

但是，一般的目标激光雷达散射截面仿真计算主要针对入射激光光斑全覆盖目标的情况，此时目标激光雷达散射截面与入射激光光斑尺寸无关。在实际使用中，当激光束发散角较小或目标距离较近时，照射到目标上的激光光斑尺寸会小于目标尺寸，此时目标处于局部照射状态，目标对入射激光的雷达散射截面与入射光斑的尺寸及入射位置关系紧密。针对局部照射情况，西安电子科技大学吴振森等人提出了一种基于图形电磁计算方法和OpenGL图形库的局部照射下目标激光雷达散射截面的算法。该算法选择聚光灯作为光源，通过改变聚光灯参数对应不同的光束发散角，来计算局部照射下的目标激光雷达散射截面。但是，该算法采用的光源为位置光源，设置聚光灯参数时，需同时考虑光源、视景体以及视点相对关系，才能实现聚光灯效果，同时根据照射在目标上的光斑尺寸以及照射距离推算出光束发散角，设置聚光灯光锥发散角，步骤复杂。并且聚光灯照射在目标上时，目标边缘会出现锯齿化现象，影响计算精度。

发明内容

本发明针对现有局部照射下目标激光雷达散射截面计算方法操作步骤复杂，目标边缘呈现锯齿化的缺点，提供了一种局部照射下目标激光散射特性的简便计算方法。

本发明基于图形电磁计算方法和OpenGL图形库，根据照射在目标上的激光光斑尺寸，设置视景体的大小和位置，就可以简便快捷地计算局部照射下目标激光雷达散射截面，并且解决了目标边缘出现锯齿化的问题。

本发明的技术方案是：

一种局部照射下目标激光散射特性的简便计算方法，其特征是该方法包括如下步骤：

(1)获取目标表面材质的双向反射分布函数

计算目标激光雷达散射截面，首先要知道目标表面材质的双向反射分布函数。对于理想漫反射目标而言，双向反射分布函数为常数，等于ρ/π，其中，ρ为半球反射率；对于非理想漫反射目标，可采用比较测量法，即利用已知半球反射率的标准板作为参考与目标表面材料样片进行比较测量，获得目标表面材质的双向反射分布函数。

(2)建立复杂目标的几何模型

根据复杂目标的几何特征参数，利用3D Studio Max、AutoCAD等3D建模软件，建立复杂目标几何模型。建模软件将目标模型网格化，分成若干面元。在Windows环境下，利用VS2010读取目标几何模型文件，调用OpenGL图形库的函数进行目标图像处理。

(3)根据激光光斑照射尺寸与照射位置设置视景体参数

通过调用OpenGL图形库中平行投影函数来设置视景体参数，以达到模拟不同尺寸激光光斑照射目标的目的。调用平行投影函数void glOrtho(GLdouble left，GLdoubleright，GLdouble bottom，GLdouble top，GLdouble near，GLdouble far)创建一个正交平行视景体，视景体以外的物体不会被绘制到屏幕显示窗口上。平行投影函数的变量(left，right，bottom，top，near，far)中，left和right为视景体左右边界在OpenGL二维屏幕坐标系x轴上对应的坐标值；bottom和top为视景体下上边界在OpenGL二维屏幕坐标系y轴上对应的坐标值；near和far为视景体前后边界在垂直于OpenGL二维屏幕向外的z轴上对应的坐标值。

OpenGL屏幕显示窗口实时显示目标时，目标几何模型坐标系原点与OpenGL二维屏幕坐标系原点重合。根据激光照射光斑大小和位置，设置视景体参数。令视景体的宽度和高度都等于激光光斑直径，沿z轴的深度应大于等于目标长、宽、高中的最大尺寸，确保目标旋转后，目标显示正常。视景体的中心即为照射激光光斑的中心。当视景体的中心与屏幕坐标系原点重合时，模拟激光光斑正入射照射目标的情况；当视景体的中心与屏幕坐标系原点不重合时，模拟激光光斑倾斜照射目标的情况。

(4)进行目标渲染及消隐处理

使用Phong漫反射光照模型进行目标渲染，然后去除显示窗口内的目标隐藏面元，完成目标消隐处理。

(5)计算目标激光雷达散射截面

步骤(3)中创建的视景体，其内切圆对应模拟激光光斑。因此，计算目标激光雷达散射截面时，需判断屏幕显示窗口内的目标面元与视景体内切圆的位置关系。将视景体内切圆上以及圆内的各个目标面元单位面积激光雷达散射截面值与该面元面积的乘积叠加，即可计算目标激光雷达散射截面σ

其中：σ_m为第m个目标面元激光雷达散射截面；σ⁰ _m为第m个目标面元单位面积激光雷达散射截面；s_m为第m个目标面元的面积；f_r为目标表面材质的双向反射分布函数；θ_im为第m个目标面元法线与激光入射方向之间的夹角；θ_sm为第m个目标面元法线与探测器接收光轴之间的夹角；s′_m为第m个目标面元在屏幕显示窗口上的投影面积。

上式中，目标表面材质的双向反射分布函数f_r由步骤(1)获取。使用步骤(4)的Phong漫反射光照模型渲染后，每个目标面元颜色值即为入射光线与该面元表面法矢之间夹角的余弦。因此，cosθ_im可直接从颜色缓存中获取。由屏幕显示窗口对应的物理尺寸，可计算得到s′_m所对应的物理尺寸。

将f_r、cosθ_im、s′_m代入目标激光雷达散射截面计算公式中，即可得到目标激光雷达散射截面值。

本发明具有以下优点及突出性效果：

(1)现有的计算局部照射下目标激光雷达散射截面算法，参数设置复杂，且目标边缘会出现锯齿化的问题。本发明采用的基于修改视景体参数的局部照射下目标激光雷达散射截面算法，参数设置简便，易操作，灵活性强，便于改变激光光斑尺寸以及照射位置，且目标边缘不会出现锯齿化。

(2)现有的计算局部照射下目标激光雷达散射截面算法，只针对于局部照射下的目标激光雷达散射截面仿真计算，如需计算激光光斑全覆盖时的目标激光雷达散射截面需采用不同的光源，重新设置光源参数。本发明采用的基于修改视景体参数的局部照射下目标激光雷达散射截面算法无需变更光源，只需修改视景体大小，即可完成激光全覆盖或局部照射下的目标激光雷达散射截面仿真计算。

附图说明

图1为非理想漫反射目标材料样片双向反射分布函数测试系统组成。

图2为OpenGL平行投影下的视景体示意图。

图3为基于修改视景体参数，实现局部照射下目标激光雷达散射截面仿真计算流程图。

图4为具体实施例中运输车几何模型。

图5为具体实施例中本发明采用的算法和现有算法的局部照射下实时显示结果。

图6为具体实施例中本发明采用的算法和现有算法计算运输车局部照射下归一化激光雷达散射截面曲线。

标号说明：

1-连续激光器；2-转台；3-目标材料样片；4-功率计探头。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明提供了一种基于视景体参数设置的局部照射下目标激光散射特性的简便计算方法，其特征是该方法包括了如下步骤：

(1)获取目标表面材质的双向反射分布函数

理想漫反射目标的双向反射分布函数为常数，等于ρ/π，其中，ρ为半球反射率；对于非理想漫反射体，采用比较测量法，即利用已知半球反射率的标准板作为参考与目标表面材料样片进行比较测量，利用测试装置进行目标表面材料样片的双向反射分布函数测试，比较测量法原理公式为

其中f_r、f分别为标准板与目标表面材料样片的双向反射分布函数，V_r、V分别为标准板与目标表面材料样片的实测值。

根据测试原理建立测试系统，如图1所示，连续激光器1发出连续激光，照射放置在转台2上的被测目标材料样片3，样片表面的激光散射信号被功率计探头4接收。固定连续激光器1和功率计探头4位置不变，通过旋转转台2，可以得到被测目标材料样片3不同旋转角度下的激光散射信号值。在相同测试条件下，用标准板替换目标表面材料样片，得到标准板在不同角度下的激光散射信号值。利用式(1)计算不同旋转角下的目标表面材料样片的双向反射分布函数，利用Matlab中cftool工具对计算数据进行拟合，得到旋转角与目标表面材料样片双向反射分布函数的关系式，用于目标激光散射特性模型仿真计算中。

(2)建立复杂目标的几何模型

根据复杂目标的几何特征参数，利用3D Studio Max、AutoCAD等3D建模软件，建立复杂目标几何模型。建模软件将目标模型网格化，分成若干面元。在Windows环境下，利用VS2010读取目标几何模型文件，调用OpenGL图形库的函数进行目标图像处理。

(3)根据激光光斑照射尺寸与照射位置设置视景体参数

通过调用OpenGL图形库中平行投影函数来设置视景体参数，以达到模拟不同尺寸激光光斑照射目标的目的。调用平行投影函数void glOrtho(GLdouble left，GLdoubleright，GLdouble bottom，GLdouble top，GLdouble near，GLdouble far)创建一个正交平行视景体，如图2所示，视景体以外的物体不会被绘制到屏幕显示窗口上。平行投影函数的变量(left，right，bottom，top，near，far)中，left和right为视景体左右边界在OpenGL二维屏幕坐标系x轴上对应的坐标值；bottom和top为视景体下上边界在OpenGL二维屏幕坐标系y轴上对应的坐标值；near和far为视景体前后边界在垂直于OpenGL二维屏幕向外的z轴上对应的坐标值。

OpenGL屏幕显示窗口实时显示目标时，目标几何模型坐标系原点与OpenGL二维屏幕坐标系原点重合。根据激光照射光斑大小和位置，设置视景体参数。令视景体的宽度和高度都等于激光光斑直径，沿z轴的深度应大于等于目标长、宽、高中的最大尺寸，确保目标旋转后，目标显示正常。视景体的中心即为照射激光光斑的中心。当视景体的中心与屏幕坐标系原点重合时，模拟激光光斑正入射照射目标的情况；当视景体的中心与屏幕坐标系原点不重合时，模拟激光光斑倾斜照射目标的情况。

(4)进行目标渲染

选择Phong光照模型对目标进行渲染。在多点光源的情况下，Phong光照模型可以表达为

式中，I表示辐射强度，I_a表示入射光泛光辐射强度，I_j为光源入射光辐射强度，k_a为泛光的漫反射系数，k_d为漫反射系数，d为观察者距离目标的距离，k为任意常数，θ_j表示入射光或者反射光与目标表面法线的夹角，k_s为镜面反射系数，α为视角，m表示光源数目。

相对于激光波长而言，目标是具有有限介电常数的粗糙物体。因此，设定物体材质对激光的散射特性为漫反射，并且漫反射系数为1。其次，光源为方向光源，入射强度为1，无泛光辐射，衰减系数为1，即I_a＝0，I_j＝1，k_s＝0，k_d＝1，d+k＝1。则式(2)简化为

(5)进行目标消隐处理

在实现目标几何模型实时显示时，调用OpenGL函数将目标每一个面元转换成屏幕显示窗口内一系列像素点。同时计算从观察点到该点的距离值，作为深度值存储在z缓冲区相应单元。在每一个像素点被显示之前，将它的深度值与该点已经存储的深度值进行比较。若新点深度值小于旧点深度值，即表示新点更接近观察点。则用新点颜色和深度值代替旧点已经写入的颜色和深度值，表明新点可见而隐藏了旧点。相反，若新点深度值大于旧点深度值，即表示新点比旧点更远离观察点。则保留旧点的颜色和深度值，表明旧点遮挡新点，新点为不可见。这样就完成了消隐处理。

(6)计算目标激光雷达散射截面

步骤(3)中创建的矩形视景体，其内切圆对应模拟激光光斑。因此，计算目标激光雷达散射截面时，需判断屏幕显示窗口内的目标面元与视景体内切圆的位置关系。将矩形视景体内切圆上以及圆内的各个目标面元单位面积激光雷达散射截面值与该面元面积的乘积叠加，即可计算目标激光雷达散射截面σ

其中：σ_m为第m个目标面元激光雷达散射截面；σ⁰ _m为第m个目标面元单位面积激光雷达散射截面；s_m为第m个目标面元的面积；f_r为目标表面材质的双向反射分布函数；θ_im为第m个目标面元法线与激光入射方向之间的夹角；θ_sm为第m个目标面元法线与探测器接收光轴之间的夹角；s′_m为第m个目标面元在屏幕显示窗口上的投影面积。

式(4)中，目标表面材质的双向反射分布函数f_r由步骤(1)获取。使用步骤(4)的Phong漫反射光照模型渲染后，每个目标面元颜色值即为入射光线与该面元表面法矢之间夹角的余弦。因此，cosθ_im可直接从颜色缓存中获取。由屏幕显示窗口对应的物理尺寸，可计算s′_m所对应的物理尺寸。

将f_r、cosθ_im、s′_m代入式(4)中，即可获得目标激光雷达散射截面值。

基于修改视景体参数，实现局部照射下目标激光雷达散射截面仿真计算流程如图3所示。

实施例：对运输车(8.5m×3.24m×2.4m)进行局部照射下目标激光散射特性仿真计算。

(1)获取运输车表面材质的双向反射分布函数

采用比较测量法，利用图1中所示的测试装置进行运输车表面材料样片的双向反射分布函数测试，根据比较测量法原理公式计算运输车表面材料样片的双向反射分布函数。利用Matlab中cftool工具对计算数据进行拟合，得到运输车表面材料样片在单站情况下双向反射分布函数BRDF与运输车表面材料样片旋转角x的关系式为

(2)建立运输车的几何模型

根据运输车的几何特征参数，利用3D Studio Max建模软件，建立运输车几何模型，如图4所示。

(3)根据激光光斑照射尺寸与照射位置设置视景体参数

调用平行投影函数void glOrtho(-2.25，2.25，-2.25，2.25，-4.5，4.5)定义一个4.5m×4.5m×9m的矩形视景体，如图2所示，模拟直径为4.5m的激光光斑正入射局部照射8.5m×3.24m×2.4m运输车的情况。

(4)进行目标渲染及消隐处理

进行目标渲染及消隐处理，实现运输车实时显示。本发明采用的算法实时显示结果如图5(a)所示，现有算法的实时显示结果如图5(b)所示。可见利用现有算法实现局部照射时，目标边缘会出现锯齿化。

(5)计算局部照射下的运输车激光雷达散射截面

利用式(4)计算局部照射下运输车的激光雷达散射截面。利用本发明算法仿真计算得到的，不同旋转角下运输车的局部照射激光雷达散射截面归一化值如图6所示。为了验证本发明计算方法的正确性，图6中同时给出了不同旋转角下运输车的激光雷达散射截面外场测试结果的归一化值。由图6可知，本发明算法仿真计算得到的结果与外场测试结果变化趋势基本一致，但也存在误差。误差来源主要包括两方面：1)外场测试时，由于运输车不是放在转台上，而是通过驾驶员控制运输车旋转不同角度，难以保证运输车中心在激光发射光轴方向上，从而导致外场测试曲线相比于仿真曲线有偏移；2)由于驾驶员控制运输车的限制，目标旋转角变化间隔大，导致外场测试点很少，并不能全面反映运输车的激光雷达散射截面随旋转角的变化关系。

具体实施例得到的仿真计算结果证明，基于视景体参数设置的局部照射下目标激光散射特性计算方法，步骤简便，计算结果正确，同时解决了目标边缘会出现锯齿化的问题。

Claims (2)

1.一种局部照射下目标激光散射特性的简便计算方法，其特征是该方法包括如下步骤：

(1)获取目标表面材质的双向反射分布函数

计算目标激光雷达散射截面，首先要知道目标表面材质的双向反射分布函数，对于理想漫反射目标而言，双向反射分布函数为常数，等于ρ/π，其中，ρ为半球反射率；对于非理想漫反射目标，可采用比较测量法，即利用已知半球反射率的标准板作为参考与目标表面材料样片进行比较测量，获得目标表面材质的双向反射分布函数；

(2)建立复杂目标的几何模型

根据复杂目标的几何特征参数，利用3D Studio Max、AutoCAD等3D建模软件，建立复杂目标几何模型，建模软件将目标模型网格化，分成若干面元，在Windows环境下，利用VS2010读取目标几何模型文件，调用OpenGL图形库的函数进行目标图像处理；

(3)根据激光光斑照射尺寸与照射位置设置视景体参数

通过调用OpenGL图形库中平行投影函数来设置视景体参数，以达到模拟不同尺寸激光光斑照射目标的目的，调用平行投影函数void glOrtho(GLdouble left，GLdouble right，GLdouble bottom，GLdouble top，GLdouble near，GLdouble far)创建一个正交平行视景体，视景体以外的物体不会被绘制到屏幕显示窗口上，平行投影函数的变量(left，right，bottom，top，near，far)中，left和right为视景体左右边界在OpenGL二维屏幕坐标系x轴上对应的坐标值，bottom和top为视景体下上边界在OpenGL二维屏幕坐标系y轴上对应的坐标值，near和far为视景体前后边界在垂直于OpenGL二维屏幕向外的z轴上对应的坐标值，OpenGL屏幕显示窗口实时显示目标时，目标几何模型坐标系原点与OpenGL二维屏幕坐标系原点重合，根据激光照射光斑大小，设置视景体参数，令视景体的宽度和高度都等于激光光斑直径，沿z轴的深度应大于等于目标长、宽、高中的最大尺寸，确保目标旋转后，目标显示正常，视景体的中心即为照射激光光斑的中心，当视景体的中心与屏幕坐标系原点重合时，模拟激光光斑照射目标中心的情况，当视景体的中心与屏幕坐标系原点不重合时，模拟激光光斑倾斜照射目标的情况；

(4)进行目标渲染及消隐处理

设置视景体参数后，使用Phong漫反射光照模型进行目标渲染，然后去除显示窗口内的目标隐藏面元，完成目标消隐处理；

(5)计算目标激光雷达散射截面

步骤(3)中创建的视景体，其内切圆对应模拟激光光斑，因此，计算目标激光雷达散射截面时，需判断屏幕显示窗口内的目标面元与视景体内切圆的位置关系，将视景体内切圆上以及圆内的各个目标面元单位面积激光雷达散射截面值与该面元面积的乘积叠加，即可计算目标激光雷达散射截面σ

$\mathrm{\σ}=\underset{m=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}_m=\underset{m=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{{\mathrm{\σ}}^0}_m{s}_m=\underset{m=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}4{\mathrm{\πf}}_r{\mathrm{cos\θ}}_{im}{\mathrm{cos\θ}}_{sm}\·\frac{s_m^{\′}}{{\mathrm{cos\θ}}_{sm}}=\underset{m=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}4{\mathrm{\πf}}_r{\mathrm{cos\θ}}_{im}\·s_m^{\′}$

其中：σ_m为第m个目标面元激光雷达散射截面；σ⁰ _m为第m个目标面元单位面积激光雷达散射截面；s_m为第m个目标面元的面积；f_r为目标表面材质的双向反射分布函数；θ_im为第m个目标面元法线与激光入射方向之间的夹角；θ_sm为第m个目标面元法线与探测器接收光轴之间的夹角；s′_m为第m个目标面元在屏幕显示窗口上的投影面积；

上式中，目标表面材质的双向反射分布函数f_r由步骤(1)获取；使用步骤(4)的Phong漫反射光照模型渲染后，每个目标面元颜色值即为入射光线与该面元表面法矢之间夹角的余弦；因此，cosθ_im可直接从颜色缓存中获取；由屏幕显示窗口对应的物理尺寸，即可计算s′_m所对应的物理尺寸，将f_r、cosθ_im、s′_m代入目标激光雷达散射截面计算公式中，可获得目标激光雷达散射截面值。

2.根据权利要求1所述的一种局部照射下目标激光散射特性的简便计算方法，其特征在于：所述的视景体可根据激光光斑照射尺寸与照射位置，设置视景体参数，视景体内切圆对应模拟激光光斑，计算视景体内切圆上及圆内各目标面元的激光雷达散射截面，叠加得到目标激光雷达散射截面。