CN109214019A - 一种基于全波仿真的散射热点成像算法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于全波仿真的电大体系散射热点成像算法。首先对电大体系散射目标进行建模，第二步利用优化改进后的全波算法进行仿真，得到目标的散射特性，然后将仿真得到的目标散射特性处理为频率角度的散射矩阵，最后利用散射热点成像算法得出目标的热点像。本发明在电大体系目标，例如飞机、舰船的隐身设计中，可以在节省计算资源（时间、内存）的情况下直观地的发现散射热点，从而容易发现相关散射机制，并进行优化设计，具有很强的实际工程应用价值。

Description

一种基于全波仿真的散射热点成像算法

技术领域

本发明涉及一种仿真目标电磁散射特性全波算法和散射热点成像算法，特别涉及一种基于全波仿真的散射热点成像算法，属于电磁仿真成像算法领域。

背景技术

基于全波仿真的散射热点成像的基本思想是模型物体放置在空间中无移动和转动，光源步进地从各个角度对物体照射宽频带的平面波，仿真得出物体的电磁散射特性。通过散射热点成像算法处理就可以得到物体的散射热点二维像。基于电磁仿真数据得到物体的散射热点在大型船舰、飞机隐身设计上具有广泛的应用前景。大型船舰、飞机的散射热点成像有以下特点：⑴体系巨大，在火控雷达探测频段上，船舰、飞机具有上百倍波长或更大；⑵热点成像算法需要多频点多角度的散射数据，对于传统时域算法来说需要巨大的计算资源。传统的散射热点成像数据来源大多是采用物理光学或射线追踪得到的目标散射数据，这些高频计算方法仿真速度很快，但是计算不准确，忽略二面角、三面角、腔体耦合效应，不能为计算物体散射热点提供准确数据。要提供准确的目标散射特性还要依赖精确的全波算法实现。传统的全波算法有限元法、矩量法(或快速多极子算法)、时域有限差分等，其中有限元法和矩量法随着仿真体系的增长计算量增长较快，在仿真船舰、飞机这种电大体系目标时，时域有限差分法具有天生的优势。

发明内容

本发明基于全波仿真的散射热点成像算法公开了新的方案，采用改进的时域有限差分法在保证仿真精确度的基础上提升时域有限差分全波仿真方法的仿真速度，解决了现有方案需要占用巨大计算资源的问题。

本发明基于全波仿真的散射热点成像算法，其特征在于，步骤如下：

⑴对电大体系散射目标进行建模；

⑵利用优化改进后的时域有限差分算法进行仿真，得到目标的散射特性；

⑶将目标散射特性处理为频率角度空间的散射矩阵；

⑷利用二维散射热点成像算法将频率角度空间的散射矩阵变换到目标所在的二维空间，得到目标的散射热点成像。

进一步，在以上方案方法的步骤⑵中利用优化改进后的全波算法进行仿真，得到目标的散射特性，步骤如下：

⑴工程文档基本参数设置；

⑵导入模型；

⑶设置激励源；

⑷设置记录器；

⑸划分共形网格；

⑹启动并行计算；

⑺数据分析。

进一步，在以上方案方法的步骤⑸中划分共形网格采用非均匀网格划分方式，非均匀网格划分能够在接触面上需要精细网格划分的部位划分更细的网格，在同等精度要求下比均匀网格所需的网格数更少，提高计算速度。

进一步，在以上方案方法的步骤⑸中划分共形网格的边界网格算法采用多格点的场联合地满足边界条件，提高计算准确度。

进一步，在基础方案方法的步骤⑷中散射热点成像算法采用运动补偿计算将运动目标归结为旋转运动目标，散射热点成像过程简化为转台成像，转台成像是假定目标放置在一个转动的平台上，目标相对于雷达视线只有旋转运动。

本发明基于全波仿真的散射热点成像算法采用改进的时域有限差分法在保证仿真精确度的基础上提升时域有限差分全波仿真方法的仿真速度，具有节约计算资源的特点。

附图说明

图1是本发明基于全波仿真的散射热点成像算法的原理图。

图2是时域有限差分算法的原理图。

图3是时域有限差分法网格示意图。

图4是雷达、目标相对位置示意图。

图5是舰船的散射热点成像示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明基于全波仿真的散射热点成像算法的原理图。基于全波仿真的散射热点成像算法，步骤如下：⑴对电大体系散射目标进行建模；⑵利用优化改进后的时域有限差分算法进行仿真，得到目标的散射特性；⑶将目标散射特性处理为频率角度空间的散射矩阵；⑷利用二维散射热点成像算法将频率角度空间的散射矩阵变换到目标所在的二维空间，得到目标的散射热点成像。进一步，在以上方案方法的步骤⑵中利用优化改进后的全波算法进行仿真，得到目标的散射特性，步骤如下：⑴工程文档基本参数设置；⑵导入模型；⑶设置激励源；⑷设置记录器；⑸划分共形网格；⑹启动并行计算；⑺数据分析。

其中，划分共形网格技术的基本情况是：国际上的FDTD均采用的是“方形体网格”，也就是“正方体”(均匀网格)或“长方体”(非均匀网格)类型的网格，通过合理切分网格，针对不同材料边界处的网格(跨边界的网格)进行特殊处理，也就是“共形网格技术”。第一就是划分更合理的网格，其次就是特殊计算模式，即通过特殊计算模式来更加精确地求解这些边界网格里的电磁场。用“方形体网格(长方体或立方体)”剖分“曲面围成”的散射体时(如舰船、飞机、天线罩、天线等)，常常有一些网格被散射体的边界曲面所“切到”，这就造成散射体边界处的一些长方体网格的一部分在散射体内，一部分在散射体外。如何算准这些网格的电磁场，是对FDTD算法的一个挑战，一般来说，这些网格的处理技术不同，会造成不同级别的误差，也就关系到FDTD计算的精确度问题。

本方案的非均匀网格划分能够在接触面等“需要精细网格划分的地方”划分更细的网格，这样在同等精度要求下比均匀网格所需的网格数更少，“好钢(网格)用在刀刃(部分需要精密剖分的结构)上”，从而大大提高计算速度。共形网格计算另外一个核心技术就是边界网格内的算法，“如何在边界处利用有限的信息量算准确”是考验各个软件公司共形技术的一个核心，国际上普遍是“单个格点上的场满足边界条件”，我们采用的是“多格点的场联合地满足边界条件”，这样可以算得更准。

在散射热点成像中目标和雷达之间的相对运动可以分为平动和转动，平动时目标上各散射点的回波的多普勒频率完全相同，这对雷达成像没有贡献，故需要通过运动补偿去掉，而转动分量则为成像提供有用信息，即在转动中，散射点沿纵向的位移是产生散射点多普勒频移的基础。换句话说，通过理想的运动补偿，任意运动形式的目标都归结为旋转运动目标，散射热点成像就简化为转台成像。转台成像是假定目标放置在一个转动的平台上，目标相对于雷达视线只有旋转运动。如图4所示，转台成像的几何关系图。雷达坐标系为(u，v)，目标坐标系为（x,y），为两坐标系之间的夹角，也是目标围绕自身轴的旋转角。在某起始时刻，雷达到目标旋转中心的距离为，到目标上任意一点（x, y）的距离为。则有：

式中，为时间的函数，并定义目标顺时针旋转时为正。

如果雷达发射的信号为，则对于距离尺寸为2L的目标（电波为平面波），在特定的转角下，有：

雷达接收到的全目标回波为：

其中，为目标的二维散射函数，且在理想目标的散射模型中，是一个确定的函数。代入则有：

其中，为与相对应的雷达波长。去除其中载频相位项和固定延迟项（），雷达接收到的基频回波信号可以表示为：

上式表明，雷达能从两个方面获得目标的信息:一是雷达频率的变化引的目标回波的变化，要求使用宽带多频信号，从而得到目标纵向高分辨信息；二是目标转角的变化导致的目标回波的变化，这要求目标有绕其轴心的转动，而得到目标横向高分辨信息。

当满足远场条件时，令，，得到：

该公式为转台二维成像的基本公式。

若转台转过一个很小的角度，即满足时，上式可变为：

于是，可以用二维傅里叶变换的形式表达为：

式中时测量或者仿真得到的散射场，它由不同角度小通过频率步进所测得的数据构成，对这一散射矩阵直接进行傅里叶变换即可得到目标的二维散射热点像。

本方案的二维热点成像算法通过RCS数据来成像，目的是起到一个诊断的作用，就像医学里的核磁共振一样，两者的算法也是相近的。所谓的诊断，也就是指发现哪里的散射强了，散射机制是什么，就可以对症下药，就能降低散射。

本方案优化改进传统的时域有限差分法，在保证仿真精确度的基础上，通过mpi并行技术、共形技术、非均匀网格划分技术大幅提升时域有限差分全波仿真方法的仿真速度。在此基础上我们开发了散射热点成像模块，可以利用最少的计算资源得到目标的散射特性，然后进行散射热点成像，在节省计算资源的情况下直观地的发现散射热点，从而容易发现相关散射机制，并进行优化设计。

㈠时域有限差改进算法

由于超大尺度体系的严格计算往往不可行，所以仿真的散射数据以前一直是通过PO或者UTD或者弹跳射线法算出来的。这些方法对于多次散射的计算效果都不好，即使算得出，一般来说相位也是误差很大。对于成像算法，原始散射数据的相位的准确性要求远大于强度的准确性要求，强度不对，顶多散射热点的强度有些差别，但是相位有偏差的话，整个图像就面目全非了。所以PO或者UTD算法用了多次反射的话，成像普遍不准。而不用多次散射，成出来的都是平面一次反射的散射亮点，如果再把计算频率调高，一般来说能成出清晰的物体轮廓，这个成像虽然好看，但是对实际问题价值很低。因为这样的像与雷达上的像并不对应，首先这样的像在实际操作中不能帮助雷达识别目标，其次也不能帮助设计者改进设计来降低RCS。

FDTD离散化采用正交网格的Yee元胞，每一个磁场分量由四个电场分量环绕。同样，每一个电场分量由四个磁场分量环绕，这种电磁场分量的空间取样方式不仅符合法拉第感应定律和安培环路定理，而且电磁场各分量的空间相对位置也适合于Maxwell方程的差分计算。此外，电场和磁场在时间顺序上交替抽样，抽样时间间隔彼此相差半个时间步，使麦克斯韦旋度方程离散以后构成显式差分方程，从而可以在时间上迭代求解。

对于舰船、飞机这种电大体系，全波严格仿真计算量超大。利用网络并行计算技术将多台PC机协同工作，可以满足计算的大内存需求，并大大缩短计算时间。实现并行计算通常有两种思路：一是在现有串行算法基础上进行并行化；二是直接从数学问题出发，面向并行系统研究并行算法。就FDTD算法而言，由于电场（磁场）分量的迭代公式只与它本身上一时刻的场值和周围网格磁场（电场）上半个时间步的值有关，而与计算区域内其它场量没有直接关系，因此，这种局域性使得我们可以自然地将FDTD区域分割成多个子区域分别计算，各子区域只需在边界处与相邻的其他子区域进行切向场值的数据交换。这使得FDTD计算的并行效率很高。

对于共型网格的划分，国际上的FDTD均采用的是“方形体网格”，也就是“正方体”（均匀网格）或“长方体”（非均匀网格）类型的网格，通过合理切分网格，针对不同材料边界处的网格（跨边界的网格）进行特殊处理，也就是“共形网格技术”。第一就是划分更合理的网格，其次就是特殊计算模式，即通过的特殊计算模式来更加精确地求解这些边界网格里的电磁场。

用“方形体网格（长方体或立方体）”剖分“曲面围成”的散射体时（如舰船、飞机、天线罩、天线等），常常有一些网格被散射体的边界曲面所“切到”。这就造成散射体边界处的一些长方体网格，一部分在散射体内，一部分在散射体外。如何算准这些网格的电磁场，是对FDTD算法的一个挑战，一般来说，这些网格的处理技术不同，会造成不同级别的误差，也就关系到FDTD计算的精确度问题。

本方案的非均匀网格划分能够在接触面等“需要精细网格划分的地方”划分更细的网格，这样在同等精度要求下比均匀网格所需的网格数更少，“好钢（网格）用在刀刃（部分需要精密剖分的结构）上”，从而大大提高计算速度。

共形网格计算另外一个核心技术就是边界网格内的算法，“如何在边界处利用有限的信息量算准确”是考验各个软件公司共形技术的一个核心。国际上普遍是“单个格点上的场满足边界条件”，我们采用的是“多格点的场联合地满足边界条件”，这样可以算得更准。

㈡二维散射热点成像技术

利用距离-多普勒联合成像处理技术，可获得目标各散射中心散射强度在一个二维平面上的投影即二维像。也就是散射热点成像。

通常对散射热点成像的研究都是基于理想散射点模型进行的，即对平稳飞行的非合作目标进行运动补偿后，运动目标等效于匀速转动的转台目标，在不大的视角范围内，该目标的散射特性可以用一系列散射点来近似，而且在成像期间，这些散射点的相对位置、强度均不发生变化。在平稳飞行模型下，目标图像可用简单的距离-多普勒成像算法进行重构。具体的要求如下:

⑴散射点位置不发生变化，即要求在成像期间不存在大的散射点走动。然而，为了获得高的横向分辨率，雷达与目标之间必须有相对运动，即散射点沿纵向的位移是产生散射点多普勒频移的基础。因此，只要在成像期间散射点的走动不越过一个分辨单元(距离单元和多普勒单元)，我们即可认为散射点不动这一条件能近似满足。实际上，简易的散射成像算法是基于散射点“微动”模型的基础上的。

⑵散射点强度不变，即在观测期间散射点的强度不应该存在较大的起伏现象。由于散射成像所需的转角很小，一般情况下，可以认为散射点强度基本上可以保持不变。散射点强度不变化即要求目标本身应为刚体。

⑶经过理想运动补偿后，目标可与一个平面转台目标近似。这就要求在观测期间，目标的转轴不发生变化，这就保证在整个成像期间，目标成像投影平面固定不变。

⑷目标匀速转动，即散射点的多普勒频率与目标的转速成正比。这一条件要求散射点的多普勒频移不变化，即每一个散射点的子回波相当于回波信号中的一个单一频率信号，此时可利用傅立叶变换实现对每一个散射点的相干积累。

本方案的基于全波仿真的散射热点成像算法并不限于具体实施方式中公开的内容，实施例中出现的技术方案可以基于本领域技术人员的理解而延伸，本领域技术人员根据本方案结合公知常识作出的简单替换方案也属于本方案的范围。

Claims (5)

1.一种基于全波仿真的散射热点成像算法，其特征在于，步骤如下：

⑴对电大体系散射目标进行建模；

⑵利用优化改进后的时域有限差分算法进行仿真，得到目标的散射特性；

⑶将目标散射特性处理为频率角度空间的散射矩阵；

⑷利用二维散射热点成像算法将频率角度空间的散射矩阵变换到目标所在的二维空间，得到目标的散射热点成像。

2.根据权利要求1所述的基于全波仿真的散射热点成像算法，其特征在于，步骤⑵中利用优化改进后的全波算法进行仿真，得到目标的散射特性，步骤如下：

⑴工程文档基本参数设置；

⑵导入模型；

⑶设置激励源；

⑷设置记录器；

⑸划分共形网格；

⑹启动并行计算；

⑺数据分析。

3.根据权利要求2所述的基于全波仿真的散射热点成像算法，其特征在于，步骤⑸中划分共形网格采用非均匀网格划分方式，非均匀网格划分能够在接触面上需要精细网格划分的部位划分更细的网格，在同等精度要求下比均匀网格所需的网格数更少，提高计算速度。

4.根据权利要求2所述的基于全波仿真的散射热点成像算法，其特征在于，步骤⑸中划分共形网格的边界网格算法采用多格点的场联合地满足边界条件，提高计算准确度。

5.根据权利要求1所述的基于全波仿真的散射热点成像算法，其特征在于，步骤⑷中散射热点成像算法采用运动补偿计算将运动目标归结为旋转运动目标，散射热点成像过程简化为转台成像，转台成像是假定目标放置在一个转动的平台上，目标相对于雷达视线只有旋转运动。