CN109298407A - 一种非均匀光束照射下目标激光散射特性的计算方法 - Google Patents

一种非均匀光束照射下目标激光散射特性的计算方法 Download PDF

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Abstract

一种非均匀光束照射下目标激光散射特性的计算方法，属于目标探测、识别、隐身技术领域。本发明通过引入表征入射光束光强分布的衰减因子，实现非均匀光束照射下目标激光雷达散射截面的仿真计算。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；调用OpenGL函数完成投影变换、视口变换、目标渲染及消隐处理，实现目标的实时显示；最后引入衰减因子，获取目标激光雷达散射截面计算公式中各参数，完成非均匀光束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，本发明采用的算法真实模拟入射激光光束横向光强分布，仿真精度高，可推广至各类非均匀光束照射下目标的激光散射特性仿真计算。

Description

一种非均匀光束照射下目标激光散射特性的计算方法
技术领域
本发明涉及一种非均匀光束照射下目标激光散射特性的计算方法，特别涉及一种非均匀光束照射下目标激光雷达散射截面的计算方法，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目标最重要的光学特性之一，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，现有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均匀照射目标的情况，此时激光雷达散射截面与入射激光光斑光强分布无关。而在实际使用中，入射激光光束一般是非均匀光束，比如，高斯光束，其横向光强分布是不均匀的，光斑中心强度最强，光强随着距离高斯光束中心轴径向距离的增大而减小。即使激光发射端的激光束光强是均匀分布的，经过在外界环境影响下的远距离传输后，入射到目标上的光束也是非均匀的。因此，当目标处于非均匀照射状态时，目标对入射激光的雷达散射截面与入射光斑的光强分布及入射位置密切相关。基于激光光斑均匀照射的目标激光雷达散射截面仿真计算方法会带来误差。
发明内容
本发明针对现有目标激光雷达散射截面计算方法只考虑入射激光均匀照射的缺点，提供了一种非均匀光束照射下目标激光散射特性的计算方法，使其更接近实际激光照射情况，提高了仿真结果的逼真度。
本发明基于图形电磁计算方法和OpenGL图形库，根据非均匀光束光强分布特性，引入衰减因子，计算得到非均匀光束照射下目标激光雷达散射截面。
本发明的技术方案是：
一种非均匀光束照射下目标激光散射特性的计算方法，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，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图形库的函数进行投影变换和视口变换。
(3)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。
(4)计算目标激光雷达散射截面
步骤(2)中视口变换创建的N×N的二维屏幕窗口，对应模拟激光光斑。当激光入射方向与接收系统光轴夹角θ′为0°时，屏幕窗口内切圆即为模拟激光光斑；当激光入射方向与接收系统光轴夹角θ′不为0°时，屏幕窗口内切椭圆即为模拟激光光斑。因此，计算目标激光雷达散射截面时，需要判断屏幕显示窗口内的目标面元与视景体内切圆和内切椭圆的位置关系，将屏幕窗口内切圆或椭圆边界上以及圆或椭圆内的各个目标面元的单位面积激光雷达散射截面值，与该面元面积的乘积叠加，即可计算得到均匀光束照射下目标激光雷达散射截面σ'
其中：
考虑非均匀光束横向光强分布，引入表征光束光强分布的衰减因子A计算得到非均匀光束照射下目标激光雷达散射截面σ
其中：σm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；sm为第m个目标面元的面积；fr为目标表面材质的双向反射分布函数；θim为第m个目标面元法线与激光入射方向之间的夹角；θsm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；(xm,ym)为第m个目标面元在二维屏幕窗口坐标系中的坐标。
上式中，目标表面材质的双向反射分布函数fr由步骤(1)获取。使用步骤(3)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，cosθim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fr、cosθim、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)现有的计算目标激光雷达散射截面算法，只针对于均匀激光照射下的目标激光雷达散射截面计算，仿真计算结果不能真实反映实际激光照射情况。本发明采用的非均匀光束照射下的目标激光雷达散射截面算法，真实模拟入射激光横向光强分布，仿真精度高。
(2)本发明采用的非均匀光束照射下的目标激光雷达散射截面算法，只需根据真实入射激光束光强分布，修改引入的衰减因子项，即可完成平顶高斯光束、超高斯光束、矩形光束等各类非均匀光束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为非均匀光束照射下目标激光雷达散射截面仿真计算流程图。
图3为具体实施例中运输车几何模型。
图4为具体实施例中采用本发明的算法仿真高斯光束、现有算法仿真均匀光束照射运输车与外场测试的运输车归一化激光雷达散射截面对比曲线。
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。
本发明提供了一种非均匀光束照射下目标激光散射特性的计算方法，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fr、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，Vr、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图形库的函数进行投影变换和视口变换。
(3)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，Ia表示入射光泛光辐射强度，Ij为光源入射光辐射强度，ka为泛光的漫反射系数，kd为漫反射系数，d为观察者距离目标的距离，k为任意常数，θj表示入射光或者反射光与目标表面法线的夹角，ks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Ia＝0，Ij＝1，ks＝0，kd＝1，d+k＝1。则式(2)简化为
(4)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。
(5)计算目标激光雷达散射截面
步骤(2)中视口变换创建的N×N的二维屏幕窗口，对应模拟激光光斑。当激光入射方向与接收系统光轴夹角θ′为0°时，屏幕窗口内切圆即为模拟激光光斑；当激光入射方向与接收系统光轴夹角θ′不为0°时，屏幕窗口内切椭圆即为模拟激光光斑。因此，计算目标激光雷达散射截面时，需要判断屏幕显示窗口内的目标面元与视景体内切圆和内切椭圆的位置关系，将屏幕窗口内切圆或椭圆边界上以及圆或椭圆内的各个目标面元的单位面积激光雷达散射截面值，与该面元面积的乘积叠加，即可计算得到均匀光束照射下目标激光雷达散射截面σ'
其中：
考虑非均匀光束横向光强分布，引入表征光束光强分布的衰减因子A计算得到非均匀光束照射下目标激光雷达散射截面σ
其中：σm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；sm为第m个目标面元的面积；fr为目标表面材质的双向反射分布函数；θim为第m个目标面元法线与激光入射方向之间的夹角；θsm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(5)中，目标表面材质的双向反射分布函数fr由步骤(1)获取。使用步骤(3)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，cosθim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fr、cosθim、s′m代入式(7)中，即可获得目标激光雷达散射截面值。
非均匀光束照射下目标激光雷达散射截面仿真计算流程如图2所示。
实施例：对运输车(8.5m×3.24m×2.4m)进行高斯光束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
BRDF＝0.8375×exp(-pow((x-1.566×pow(0.1，8))/2.936，2))
-0.04462×exp(-pow((x-3.288×pow(0.1，6))/22.2，2)) (8)
+0.1305×exp(-pow((x+5.964×pow(0.1，6))/54.24，2))
(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)投影变换和视口变换
调用平行投影函数void glOrtho(-1.5，1.5，-1.5，1.5，-4.5，4.5)定义一个3.0m×3.0m×9m的矩形视景体，调用视口变换函数void glViewport(0,0,400,400)定义一个400像素×400像素的屏幕窗口，并将运输车几何模型绘制到这个屏幕窗口，模拟直径为3.0m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。
(5)计算高斯光束照射下的运输车激光雷达散射截面
考虑高斯光束横向光强分布，引入表征高斯光束光强分布的衰减因子A，计算得到高斯光束照射下目标激光雷达散射截面σ
利用本发明算法仿真计算得到的，不同旋转角下运输车的高斯光束照射激光雷达散射截面归一化值如图4所示。为了验证本发明计算方法的正确性和精确性，图4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和不同旋转角下运输车的均匀光束照射激光雷达散射截面归一化值，三组归一化值均为除以外场测试结果最大值后计算得到。由图4可知，均匀照射下的激光雷达散射截面仿真计算结果与外场测试结果在绝对值上有很大的差异，而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和绝对值基本一致，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，基于引入衰减因子的高斯光束照射下目标激光散射特性计算方法，真实模拟高斯光束横向光场分布，仿真精度高。

Claims (2)

1.一种非均匀光束照射下目标激光散射特性的计算方法，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，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图形库的函数进行投影变换和视口变换；
(3)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；
(4)计算目标激光雷达散射截面
步骤(2)中视口变换创建的N×N的二维屏幕窗口，对应模拟激光光斑，当激光入射方向与接收系统光轴夹角θ′为0°时，屏幕窗口内切圆即为模拟激光光斑；当激光入射方向与接收系统光轴夹角θ′不为0°时，屏幕窗口内切椭圆即为模拟激光光斑，因此，计算目标激光雷达散射截面时，需要判断屏幕显示窗口内的目标面元与视景体内切圆和内切椭圆的位置关系，将屏幕窗口内切圆或椭圆边界上以及圆或椭圆内的各个目标面元的单位面积激光雷达散射截面值，与该面元面积的乘积叠加，即可计算得到均匀光束照射下目标激光雷达散射截面σ'
其中：
考虑非均匀光束横向光强分布，引入表征入射光束光强分布的衰减因子A计算得到非均匀光束照射下目标激光雷达散射截面σ
其中：σm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；sm为第m个目标面元的面积；fr为目标表面材质的双向反射分布函数；θim为第m个目标面元法线与激光入射方向之间的夹角；θsm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；(xm,ym)为第m个目标面元在二维屏幕窗口坐标系中的坐标；
上式中，目标表面材质的双向反射分布函数fr由步骤(1)获取；使用步骤(3)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，cosθim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fr、cosθim、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所述的一种非均匀光束照射下目标激光散射特性的计算方法，其特征在于：所述的衰减因子用于模拟非均匀光束的横向光强分布，计算屏幕窗口内各被照射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。
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