CN110208764A - 基于电磁散射计算的动态海洋大型场景回波仿真方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于电磁散射计算的动态海洋大型场景回波仿真方法。步骤为，设置海面仿真的初始化参数，包括海浪方向、海情等级、仿真起始时间、仿真时间间隔和场景大小；根据初始化参数，以仿真时间划分动态海面，以场景大小划分基准图幅宽，对动态海面的几何模型进行离散化；利用弹跳射线法计算动态海面的高频电磁散射，得到基准图回波数据；对基准图回波数据采用拼接法进行拼接，得到完整的设定的场景大小的回波数据。本发明克服了现有技术只能进行单一海情或静态海面的回波仿真计算的缺点。

Description

基于电磁散射计算的动态海洋大型场景回波仿真方法
技术领域
本发明属于雷达探测领域，特别涉及了一种动态海洋回波仿真方法。
背景技术
早期研究者在描述海洋表面时，因为实际海浪运动的无规律性和复杂性，一般采用均方差和相关长度等方法。但是，这些方法存在明显的问题，在描述海面纹理细节上不够具体有效。研究者为了使模拟出的物理海洋表面更加的逼真，引入了海浪谱的概念。海浪谱是用来描述海面的功率密度谱，其功能在于将分布在海浪传播方向和波长上的能量充分的展现出来，物理意义表示经过傅里叶变换之后的海面起伏高度相关函数。1964年，Pierson和Moskowitz为得到随机海浪的平均谱分布，二人采用频谱分析的方法研究了北大西洋近5年的共计460次的海洋观察资料，经过无因次化和数学拟合后得到主波浪波数谱模型。
弹跳射线法(Shooting and Bouncing Ray,SBR)是一种几何光学法和物理光学法的结合，首先用一定密度的密集射线来模拟入射的平面电磁波在目标几何结构中的传播情况，然后使用物理光学法来计算射线管的RCS，由于SBR方法考虑到了目标几何结构间的多次反射情况，因此特别适合计算包含多次反射场的复杂场景问题。
由于电磁散射计算软件的时间复杂度高，计算所需硬件资源较高，目前只能进行单一海情或静态海面的回波仿真计算，而针对大型场景海面电磁散射计算方法的研究鲜有出现。
发明内容
为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了基于电磁散射计算的动态海洋大型场景回波仿真方法。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
基于电磁散射计算的动态海洋大型场景回波仿真方法，包括以下步骤：
(1)设置海面仿真的初始化参数，包括海浪方向、海情等级、仿真起始时间、仿真时间间隔和场景大小；
(2)根据初始化参数，以仿真时间划分动态海面，以场景大小划分基准图幅宽，对动态海面的几何模型进行离散化；
(3)利用弹跳射线法计算动态海面的高频电磁散射，得到基准图回波数据；
(4)对基准图回波数据采用拼接法进行拼接，得到完整的设定的场景大小的回波数据。
进一步地，在步骤(1)中，设定的仿真时间间隔τ满足如下条件：
且τ＞2L/c
其中，Cp为主波的相速，决定了海面的水平运动速度；λ为电磁波波长；L为海面长度，c为电磁波传播速度。
进一步地，在步骤(2)中，根据下式划分基准图：
其中，l为基准图的尺寸，x为场景大小，k1、k2为设定的修正系数，ρ为分辨率。
进一步地，步骤(4)的具体过程如下：
(4a)若基准图尺寸则先将基准图通过行或列复制进行拓展，然后通过向四周镜像对称得到设定的场景大小的回波数据；若则直接将基准图向四周镜像对称得到设定的场景大小的回波数据；
(4b)将步骤(4a)得到的回波数据进行平滑处理，得到最终的回波数据。
进一步地，在步骤(3)中，为了真实模拟因海面粗糙而造成的漫反射效应，在反射口径面上引入随机高程差和修正法向，具体过程如下：
(3a)对于每根射线管，沿原反射面法向引入随机高程差ΔHj，在射线追踪到的各个反射点Pj处做修正，j＝1,2,3，修正反射点Pj到Pj'点：
其中，ΔHj服从高斯分布，有其中是根据当前场景的介质参数选取的高程方差；
(3b)在引入随机高程差的射线管口径面上，对原反射面法向进行修正，得到引入随机高程差后的三角面元的法向
其中，P1',P2',P3'分别为三角面元的三个顶点。
进一步地，采用场景大小为1000*1000、分辨率为1m、海情6级的海面仿真计算时间为标准值，则任意场景大小、分辨率、海情等级的仿真计算时间如下式计算：
其中，分别为归一化后的仿真计算时间、分辨率、场景大小、海情等级，e为自然常数，ξ为设定常数。
采用上述技术方案带来的有益效果：
本发明通过在海浪谱中引用时间因子，用频域方法求解演进海面的电磁散射特性，实现动态海面几何场景建模；本发明采用拼接法解决了实际计算过程中被测海面具有场景大、海况等级多的问题，并且此种方法得到的数据真实度较高。
附图说明
图1是本发明的方法流程图；
图2是雷达和海面的几何关系图；
图3是风速为10m/s时的三维海浪仿真图；
图4是风速为15m/s时的三维海浪仿真图；
图5是海面回波数据表E-R图；
图6是三级海情海场景仿真回波调制特性图，包括(a)、(b)两幅子图，其中(a)为概率密度-杂波幅值图，(b)为距离-时间图；
图7是直接生成得到的海面二维成像结果图；
图8是拼接法得到的海面二维成像结果图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，基于电磁散射计算的动态海洋大型场景回波仿真方法，具体步骤如下。
步骤1：设置海面仿真的初始化参数，包括海浪方向、海情等级、仿真起始时间、仿真时间间隔和场景大小。
此处以PM海浪谱为例，PM海谱具有数学上的简洁性，在雷达散射研究中的得到了广泛的应用。海浪的一阶统计量和二阶统计量可以通过PM海谱计算获得，同时可以推导出海浪的高度参数相关函数。
二维PM方向谱可表示为
上式中，海浪空间波数为K，φ为海浪方向，φm为初相，U19.5表示海面上方19.5m处的风速，a为常数a＝8.10×10-3，b为常数0.74，g0为重力加速度。
将W(K，φ)转换至(Kx,Ky)坐标系下，由图2中的几何关系可知，x轴方向为主波浪的方向，波数K乘以方向谱W(K，φ)，然后沿x轴的方向截取，由此得到PM海谱的一维形式。
由图3、图4可以看出，风速的变化会对海浪波高产生影响：风速越大，海浪波高越高，且毛细波越不明显。对于线性叠加法，只要频率分割数选取适中，就能较准确地对给定的海浪谱进行仿真。
将动态海面在时间间隔τ内看成静止的，同时满足在合成孔径雷达体制下，确保入射波可以看成为连续波，这样就可以用频域方法求解演进海面的电磁散射特性。这样对于海面时间间隔τ的要求比较苛刻，时间间隔足够小则要求τ必须保证离散后的海面能够表征海面运动的全过程，即海面运动信息不丢失，但是带来后果则是时间复杂度增加，提高计算成本；时间间隔足够大要求在τ时间内入射波仍可视为连续波，但是可能会不能满足采样定律，静止海面相连不能够再现海面的演进过程，从而造成海面雷达信号信息量的减少。时间相关性减弱。一般来说，在时间间隔内海面的变化不能太明显，满足如下关系：
其中Cp是主波的相速，决定了海面的水平运动速度，对于PM谱海面来说，Cp可由下式得到：
上式中，Km为计算值，一般为3.63rad/cm，Kp为主波波数，这样保证主波在采样间隔内传播距离小于四分之一的电磁波波长。同时，时间间隔需要满足下式：
τ＞2L/c
其中，L为海面长度，c为电磁波传播速度，以保证照射到海面上的电磁波可以视为连续波，且波形不会出现畸变。
步骤2：根据初始化参数，以仿真时间划分动态海面，以场景大小划分基准图幅宽，对动态海面的几何模型进行离散化。
可以采用下式划分基准图：
其中，l为基准图的尺寸，x为场景大小，k1、k2为设定的修正系数，ρ为分辨率。由于计算需要满足所有海况等级，故不考虑海况因素。
步骤3：利用弹跳射线法计算动态海面的高频电磁散射，得到基准图回波数据。
在实际计算过程中，由于被测海面具有场景大、海况等级多的计算需求，在进行海面几何建模过程中，为了满足计算需求，将整个海面完整的建模显然是不可能的，所以我采用一种拼接法完成。基准图大小的设定一般不宜过小，太小会导致基准图的计算结果不足以反应整幅场景的实际效果，显而易见同时也不宜太大。
在衡量整个场景的计算时间时，提出采用归一时间参数进行。在时间采样间隔等参数恒定情况下，本发明采用场景大小为1000*1000、分辨率为1m、海况6级的海面仿真计算时间为标准值，则任意场景大小、分辨率、海况的仿真计算时间如下：
其中均为归一化后的仿真时间、分辨率、海面长度(场景大小)、海况等级参数，ξ为设定值，一般取1或2。
步骤4：对基准图回波数据采用拼接法进行拼接，得到完整的设定的场景大小的回波数据。
若基准图尺寸则先将基准图通过行或列复制进行拓展，然后通过向四周镜像对称得到设定的场景大小的回波数据；若则直接将基准图向四周镜像对称得到设定的场景大小的回波数据。
由于镜像对称或平移会造成连接处的失真，因此需要对上述得到的回波数据进行平滑处理。
进一步地，在利用弹跳射线法进行高频电磁散射计算时，为真实模拟由于表面粗糙造成的漫反射效应在反射口径面上引入的随机高程差和修正法向：
对于每根射线管，沿原反射面法向引入随机高程差ΔHj，在射线追踪到的各个反射点Pj处做修正，j＝1,2,3，修正反射点Pj到Pj'点：
其中，ΔHj服从高斯分布，有其中是根据当前场景的介质参数选取的高程方差。
在引入随机高程差的射线管口径面上，对原反射面法向进行修正，得到引入随机高程差后的三角面元的法向
其中，P1',P2',P3'分别为三角面元的三个顶点。
关于海杂波的调制特性，在雷达应用中，通过丰富的测量实验数据，可以将海杂波看做是一种随机信号，科研人员逐步建立了杂波幅度的统计特性模型，瑞利分布，对数正态分布，韦伯分布和K分布为常见的杂波幅度概率密度模型。
对于高雷达分辨率、海杂波非均匀的情况，K分布能够较好的描述杂波数据的幅值分布，在较宽的幅值范围内，对海杂波回波的时间相关性也有较好的描述特性。
为了分析海杂波的拟合分布与经验分布函数的符合情况，采用K-S统计检验、KL距离度量和最小均方误差三种统计检验方法进行检验。
动态海面场景的回波仿真工作，几何模型数量多，计算量大，回波数据量庞大，因此，为了便于雷达回波数据分析、目标检测等后续工作，有必要建立典型动态海面场景回波数据库，保存不同时刻、计算参数下的回波数据，图5给出了回波数据库的E-R图，其中：
(1)一个海面参数下，随着时间的推移，海浪在不断运动，因此可以生成多个海面模型；
(2)同一个海面模型可以设置不同的计算参数，如频率、入射角度、分辨率、极化方式和采样点数；
(3)不同参数计算出对应的回波数据，并根据采样坐标对应存放。
实验1：
仿真参照IPIX雷达1993年在Dartmouth的第54号文件，在0～15s内生成3级海清动态海面模型，海面场景的长为100m，采样时间间隔ts＝0.02s，距离分辨率ρr＝4m，设置仿真参数如表1所示。对仿真的回波数据进行处理，从表2可知杂波幅值与韦布尔分布拟合较好。取回波第7个距离单元的数据做功率谱估计，从图6中可以看出，在15s的仿真时间内，海浪时刻运动着，同一时刻不同距离单元内，颜色的数值大小不一，这是由于海浪的波峰波谷散射差异造成的，颜色接近白色的区域散射值较大，而颜色接近黑色的部分散射值较小，同一距离单元内，回波颜色的数值也不相同，这是由于海浪随时间不断运动，导致同一个距离单元内会经历海浪的波峰波谷，散射值大小发生变化。
表1
表2
瑞利分布 韦布尔分布 对数正态分布 K分布
K-S检验 1.2608 1.4107 3.2879 1.5247
K-L检验 0.7989 0.6403 6.5297 2.0917
MES检验 4.1468e-5 7.9791e-4 0.0087 0.0024
检验均值 0.5149 0.4755 2.4566 0.9046
实验2：
在进行过程中，针对某型雷达实际工作数据，采用两种方法得到仿真结果：第一种：直接生成整幅场景几何建模，进行电磁散射计算，其二维成像结果如图7所示。第二种采用拼接法得到整幅场景实测数据，其二维成像结果如图8所示。可以看到两者得到的结果相似性很高，而且拼接法所计算时间显著减少。
实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.基于电磁散射计算的动态海洋大型场景回波仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)设置海面仿真的初始化参数，包括海浪方向、海情等级、仿真起始时间、仿真时间间隔和场景大小；
(2)根据初始化参数，以仿真时间划分动态海面，以场景大小划分基准图幅宽，对动态海面的几何模型进行离散化；
(3)利用弹跳射线法计算动态海面的高频电磁散射，得到基准图回波数据；
(4)对基准图回波数据采用拼接法进行拼接，得到完整的设定的场景大小的回波数据。
2.根据权利要求1所述基于电磁散射计算的动态海洋大型场景回波仿真方法，其特征在于，在步骤(1)中，设定的仿真时间间隔τ满足如下条件：
且τ＞2L/c
其中，Cp为主波的相速，决定了海面的水平运动速度；λ为电磁波波长；L为海面长度，c为电磁波传播速度。
3.根据权利要求1所述基于电磁散射计算的动态海洋大型场景回波仿真方法，其特征在于，在步骤(2)中，根据下式划分基准图：
其中，l为基准图的尺寸，x为场景大小，k1、k2为设定的修正系数，ρ为分辨率。
4.根据权利要求3所述基于电磁散射计算的动态海洋大型场景回波仿真方法，其特征在于，步骤(4)的具体过程如下：
(4a)若基准图尺寸则先将基准图通过行或列复制进行拓展，然后通过向四周镜像对称得到设定的场景大小的回波数据；若则直接将基准图向四周镜像对称得到设定的场景大小的回波数据；
(4b)将步骤(4a)得到的回波数据进行平滑处理，得到最终的回波数据。
5.根据权利要求1所述基于电磁散射计算的动态海洋大型场景回波仿真方法，其特征在于，在步骤(3)中，为了真实模拟因海面粗糙而造成的漫反射效应，在反射口径面上引入随机高程差和修正法向，具体过程如下：
(3a)对于每根射线管，沿原反射面法向引入随机高程差ΔHj，在射线追踪到的各个反射点Pj处做修正，j＝1,2,3，修正反射点Pj到Pj'点：
其中，ΔHj服从高斯分布，有其中是根据当前场景的介质参数选取的高程方差；
(3b)在引入随机高程差的射线管口径面上，对原反射面法向进行修正，得到引入随机高程差后的三角面元的法向
其中，P1',P2',P3'分别为三角面元的三个顶点。
6.根据根据权利要求1所述基于电磁散射计算的动态海洋大型场景回波仿真方法，其特征在于，采用场景大小为1000*1000、分辨率为1m、海情6级的海面仿真计算时间为标准值，则任意场景大小、分辨率、海情等级的仿真计算时间如下式计算：
其中，分别为归一化后的仿真计算时间、分辨率、场景大小、海情等级，e为自然常数，ξ为设定常数。
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