CN107728113B - 被动毫米波成像模拟中多层亮温追踪的快速计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了被动毫米波成像模拟中多层亮温追踪的快速计算方法，其属计算机辅助分析与设计以及软件设计领域，主要用于被动毫米波成像模拟仿真，其目的是针对粗糙面散射系数的特殊分布，通过计算粗糙面的双站散射系数，找到其分布特点与规律，依据规律找到与之相适应的子层射线发射方法，该方法将双站散射系数较小的区域射线稀疏化，而双站散射系数较大的区域内的射线密集化，从而避免射线的冗余计算，提高计算效率，实现多层亮温追踪法的快速计算。

Description

被动毫米波成像模拟中多层亮温追踪的快速计算方法

技术领域

本发明涉及一种快速的计算方法，属计算机辅助分析与设计技术领域，主要用于被动毫米波成像模拟仿真，可以提升多层亮温追踪法的计算效率，帮助实现复杂场景的快速成像。

背景技术

被动毫米波成像模拟是被动毫米波成像领域里一项重要的环节，它可以帮助认识目标的辐射特性，解释辐射现象，寻找辐射规律以及判断实际测量结果的优劣。以上所述优点使得毫米波成像模拟近年来愈加受到重视。目前为止，大部分的工作都集中在待测目标表面为光滑平面的场景，而对于待测目标表面为粗糙面的场景则鲜有提及，传统的算法是利用朗伯近似处理，但该方法只能针对极粗糙面。对于一般粗糙度的粗糙面，申请者提出了一种改进的新模型将粗糙面的漫反射考虑在内，来自周围各方向的亮温也可计入亮温反演，同时还提出了多层亮温追踪法(Multi-layer Brightness Temperature TracingMethod,MBTTM)计算粗糙面的亮温分布，新模型以及方法的提出使得多种介质不同粗糙面的目标可以方便的得以辨认，有效提高了被动毫米波亮温成像模拟的分辨力和适用范围。而MBTTM的原理即每一根射线又继续分为若干射线，继而造成计算量的成倍增加，影响计算速度。传统的子层射线发射方法是按照角度向外发射射线，其发射原理如图1所示。

图1中的射线发射方法即为按角度均匀发射的方法，其缺点在于无法均匀的分布在球面，从而导致靠近θ＝0°附近的射线较之θ＝90°附近密集的多，该方法可以较好的计算粗糙面的散射振幅系数，从而得到其反射率和发射率。遗憾的是此射线分布特点将造成计算量的大量冗余，继而造成多层亮温追踪法计算效率的大幅降低。因此，需要一种适合多层亮温追踪法的加速算法以提高粗糙面亮温分布的计算效率。

本发明的目的是针对粗糙面散射系数的特殊分布，提出一种适合粗糙面亮温分布计算的多层亮温追踪法的快速计算方法，通过计算粗糙面的双站散射系数，找到其分布特点与规律，依据规律找到一种与之相适应的子层射线发射方法，将双站散射系数较小的区域射线稀疏化，而双站散射系数较大的区域内的射线进行密集化，从而避免射线的冗余计算，提高计算效率，实现多层亮温追踪法的快速计算方法。

发明内容

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：被动毫米波成像模拟中多层亮温追踪的快速计算方法，其特征在于，其包括以下步骤：

第一步：利用网格生成器建立球型几何模型，并进行表面三角形网格剖分，之后导出几何体的网格单元信息，包括节点坐标信息文件和单元节点信息文件即三角形的面-点关联矩阵；

第二步：利用粗糙面双站散射系数计算方法计算特定粗糙度参数下的双站散射系数矩阵，观察该粗糙面的双站散射系数分布情况，分析其分布特点。

第三步：根据计算需求设定门限值，即确定子层射线增密的范围。

第四步：确定增密范围后，为保证增密后的射线亦为均匀发射，根据射线增密算法将范围内的三角形网格继续剖分。如需一层加密，则进行一次剖分，如需二层加密，则在一次剖分的基础上继续进行二次剖分，直至满足加速要求。

第五步：将计算好的散射振幅系数矩阵代入多层亮温追踪法的计算程序中进行运算，最终得到适合多层亮温追踪法的快速计算。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明对于粗糙面的双站散射系数，不同粗糙参数对应其各自的双站散射系数分布，据此特点，本发明所提之多层增密法根据相异的双站散射系数分布情况，对不同区域进行射线非均匀化处理，提高子层射线的利用率，减少粗糙面散射振幅矩阵的计算时间，从而提高多层亮温追踪法的计算效率；

(2)本发明在计算粗糙面的亮温分布时，可以加速多层亮温追踪法的计算效率，有效避免子层射线的计算冗余，尽可能最大程度的提高子层射线的利用率，减少散射振幅矩阵的计算时间，从而解决多层亮温追踪法计算速度慢这一难题，实现多层亮温追踪的快速计算，继而满足粗糙面场景的实时亮温模拟。

附图说明

图1为传统子层射线发射方式示意图；

图2为球型模型经三角形剖分得到的示意图；

图3为不同粗糙度的粗糙面，反射率随散射天顶角的变化曲线图；

图4为不同粗糙度的粗糙面，反射率随散射方位角的变化曲线图；

图5为确定需增密三角形流程图；

图6为一层增密示意图；

图7为二层增密示意图；

图8为N层增密初始编号示意图；

图9为N层增密顶点重新编号示意图；

图10为加速算法使用前后计算时间对比图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明所采用的技术方案是：

被动毫米波成像模拟中多层亮温追踪的快速计算方法，具体如下：

本发明对图1所示的几何体生成边元信息的具体如下：

第一步，利用网格生成器建立球体的几何模型，对其实施三角形网格剖分，如图2所示，剖分完成后导出几何体的网格单元信息，包括节点坐标信息文件和单元节点信息文件。

第二步，利用原始剖分信息，根据几何体表面三角形剖分公共边和非公共边快速生成方法生成该模型的点、线、面、体之间的关系矩阵。

第三步，利用粗糙面双站散射系数计算方法计算特定粗糙度参数下的双站散射系数矩阵，观察该粗糙面的双站散射系数分布情况，分析其分布特点。图3和图4分别表示在不同的粗糙度情况中，反射率随散射角和方位角的变化曲线图。结果表明无论是在哪种粗糙度情况下，粗糙面的反射率分布规律皆为反射角周围最大，其范围如图2中的灰色阴影所示。

第四步，根据上面所得结果确定增密范围，增密范围可以自由选择。确定后根据增密范围确定球面上需增密的三角形个数及其编号，判断依据为：遍历球面上的所有顶点，根据顶点坐标计算每个顶点的俯仰角和方位角，若该顶点在增密范围内，则根据三角形点面关系找到该顶点所在的所有三角形编号，后根据三角形面点关系找到每个三角形对应的另外两个点坐标，计算另两个点的俯仰角和方位角，若三角形的三个顶点均在增密范围内，即判断该三角形为需要增密的三角形。其流程图如图5所示。

第五步，确定增密范围后，为了保证增密后的射线亦为均匀发射，根据上述射线增密算法将范围内的三角形网格继续剖分，如需一层加密，则进行一次剖分，如需二层加密，则在一次剖分的基础上继续细分，直至满足加速要求。图6为一层增密示意图，图7为二层增密示意图。本发明还提出一种任意层增密的增密算法来计算新增射线的方向向量。

第六步，以图8为例，详细阐述本发明所提任意层增密算法，初始的已有数据为待增密三角形三个顶点的编号及其顶点坐标。首先假设需要增密N层，在三角形的两条边上的顶点个数为n，则n＝2^N+1。

第七步，以矩阵a(3,n)和矩阵b(3,n)表示三角形两条边上的顶点坐标，两个矩阵都是3行n列，行数代表其每个点的坐标，列数为其点的个数。其中a(1,1)、a(2,1)、a(3,1)为A点坐标，由于两条边以A点为交点，因此b(1,1)、b(2,1)、b(3,1)也同样为A点坐标。

第八步，得到两条边上的顶点坐标，即给a，b两个矩阵各个元素赋值，其计算公式如式(1).

同理可得矩阵b中各元素的值。

第九步，得到每一层横边上的点坐标，因为每一层横边上的两端的点坐标已经在上一步得到，即为矩阵a的b值。因此可以根据第八步中的公式计算而得。

第十步，将所有得到的顶点进行重新排序及编号，编号方式按照图9中所示。如果增密层数为N层，顶点总数用NZ表示，则

此时可以建立一个新矩阵c(3，NZ)以表示所有顶点的坐标。

第十一步，计算所有三角形内射线的方向向量。如图9所示，每三个顶点编号组成一个三角形，每个三角形的中心点即为子层的每条射线的方向向量。当层数较少时可以全部一一列出，但当层数较大时，无法全部罗列每一组顶点，因此本发明提出一个通用的计算方法来得到所有射线的方向向量。

第十二步，以图9为例，增密层数为N层，用NZI表示增密后单个三角形内的射线总数，其数量为4^N条，因此可以建立矩阵d(3，NZI)来表示单个三角形内的NZI条射线向量坐标。

第十三步，设定四个中间计数变量，sum、sum1、sum2、s。增密算法共有五重循环，变量分别以t、j、m、p、q表示。

外层循环:

sum＝sum+t-1；sum1＝sum1+t-2；sum2＝sum2+t(t＝1,2,…,n-1)

内层由三个条件组成，分别是

1.当m-j＝1&q-j＝t&q-m＝t+1时，s＝s+1

2.当m-j＝t&q-j＝t+1&q-m＝1时，s＝s+1

3.当m-j＝1&q-j＝t+1&q-m＝t&j≠sum2时，s＝s+1

当满足上面三个条件中任意一个时，

上式中(j＝sum…sum1)，(m＝sum+1…sum1)，(q＝sum+2…sum1)。

根据第十三步的算法，即可得到三角形内增密后的所有射线向量坐标矩阵。

第十四步得到坐标矩阵后，即可计算该粗糙面的反射率，继而可得其辐射亮温分布。

最后，为了显示本发明的有效性，在图10给出了增密算法使用前后的计算结果对比图，可以看出其计算效率的大幅提升。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.被动毫米波成像模拟中多层亮温追踪的快速计算方法，其特征在于，其包括以下步骤：

第一步：利用网格生成器建立球体几何模型，并进行表面三角形网格剖分，之后导出几何体的网格单元信息，包括节点坐标信息文件和单元节点信息文件；

第二步：形成三角形的面-点关联矩阵：利用剖分信息，根据几何体表面三角形剖分公共边和非公共边快速生成方法生成该模型的点、线、面、体之间的关系矩阵；

第三步：利用粗糙面双站散射系数计算方法计算特定粗糙度参数下的双站散射系数矩阵，观察该粗糙面的双站散射系数分布情况，分析其分布特点；

第四步：根据计算需求设定门限值，即确定子层射线增密的范围；

第五步：确定增密范围后，为保证增密后的射线亦为均匀发射，根据射线增密算法将范围内的三角形网格继续剖分，如需一层加密，则进行一次剖分，如需二层加密，则在一次剖分的基础上继续进行二次剖分，直至满足加速要求；

第六步：将计算好的双站散射系数矩阵代入多层亮温追踪法的计算中进行运算，最终得到适合多层亮温追踪法的快速算法；

增密算法具体为：

①初始的已有数据为待增密三角形三个顶点的编号及其顶点坐标，首先假设需要增密N层，在三角形的两条边上的顶点个数为n，则n＝2^N+1；

②以矩阵a(3，n)和矩阵b(3，n)表示三角形两条边上的顶点坐标，两个矩阵都是3行n列，行数代表其每个点的坐标，列数为其点的个数，其中a(1，1)、a(2，1)、a(3，1)为A点坐标，由于两条边以A点为交点，因此b(1，1)、b(2，1)、b(3，1)也同样为A点坐标；

③得到两条边上的顶点坐标，即给a，b两个矩阵各个元素赋值，其计算公式如式(1).

同理得到矩阵b中各元素的值；

④得到每一层横边上的点坐标，因为每一层横边上的两端的点坐标已经在上一步得到，即为矩阵a和矩阵b的值，因此根据第③步中的公式计算而得；

⑤将所有得到的顶点进行重新排序及编号，如果增密层数为N层，顶点总数用NZ表示，则

此时建立一个新矩阵c(3，NZ)以表示所有顶点的坐标；

⑥计算所有三角形内射线的方向向量：每三个顶点编号组成一个三角形，每个三角形的中心点即为子层的每条射线的方向向量；

⑦增密层数为N层，用NZI表示增密后单个三角形内的射线总数，其数量为4^N条，因此建立矩阵d(3，NZI)来表示单个三角形内的NZI条射线向量坐标；

⑧设定四个中间计数变量，sum、sum1、sum2、s；增密算法共有五重循环，变量分别以t、j、m、p、q表示；

外层循环：

sum＝sum+t-1；

sum1＝sum1+t-2；

sum2＝sum2+t(t＝1，2，...，n-1)；

内层由三个条件组成，分别是

1.当m-j＝1&q-j＝t&q-m＝t+1时，s＝s+1

2.当m-j＝t&q-j＝t+1&q-m＝1时，s＝s+1

3.当m-j＝1&q-j＝t+1&q-m＝t&j≠sum2时，s＝s+1

当满足上面三个条件中任意一个时，

上式中(j＝sum…sum1)，(m＝sum+1…sum1)，(q＝sum+2…sum1)；

根据⑧的计算方法，即得到三角形内增密后的所有射线向量坐标矩阵；

⑨得到坐标矩阵后，计算该粗糙面的反射率，继而得到其辐射亮温分布。

2.根据权利要求1所述的被动毫米波成像模拟中多层亮温追踪的快速计算方法，其特征在于：子层射线的发射方法是，首先对单位球面上进行三角形面剖分，之后计算每个三角形的中心点坐标，将该中心点坐标作为子层射线的方向向量坐标。

3.根据权利要求2所述的被动毫米波成像模拟中多层亮温追踪的快速计算方法，其特征在于：子层射线增密方法，首先计算并分析该粗糙面的双站散射系数分布情况，根据其分布特点确定增密范围后进行增密，以确保最大程度提高子层射线的利用效率。

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