CN111965619A - 一种基于射线追踪的复杂目标时域散射信号仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于射线追踪的复杂目标时域散射信号仿真方法，涉及雷达技术领域，利用射线追踪的方法得到电磁波在复杂目标中的反射方向和传播路径，利用物理光学法积分计算得到每条射线与目标相互作用产生的散射场。从而得到单频点下目标的散射场。重复这一步骤，得到一个频段内的目标散射特性，通过傅里叶变换，最终得到复杂目标时域回波散射信号。实验表明，本发明的方法具有较高的仿真精度，而且对计算机的资源占用也比较小。

Description

一种基于射线追踪的复杂目标时域散射信号仿真方法

技术领域

本发明涉及雷达技术领域，特别是涉及一种基于射线追踪的复杂目标时域散射信号仿真方法。

背景技术

随着雷达技术的发展，复杂目标时域散射信号仿真在理论分析和实际应用中具有重要意义。当雷达发出的电磁波照射到某一目标，与目标相互作用，会发生散射，散射回波被雷达再次接收。接收到的信号包含了目标的几何信息，运动信息等，因此，对复杂目标的回波信号进行仿真在国防领域和民用领域具有显著的学术价值和广泛的应用前景。

在过去的几十年中，许多时域散射信号仿真技术被学者提出。大致分为近似方法和数值方法。数值方法优点是计算精度高，然而数值方法需要消耗大量的计算机内存，计算效率低下，普通个人计算机的配置已不能满足仿真需求。近似方法优点是消耗内存低，分析速度快，但传统的近似方法对于复杂目标无法考虑目标各部分之间的多次反射，精度不够。故数值方法和传统的近似方法都难以应用到复杂目标时域散射信号仿真当中。

发明内容

本发明提供了一种基于射线追踪的复杂目标时域散射信号仿真方法，可以解决现有技术中存在的问题。

本发明提供了一种基于射线追踪的复杂目标时域散射信号仿真方法，所述方法包括：

步骤1，将雷达发射至目标的入射电磁波认为是一系列平行传播的射线管，射线从射线管中发出，确定射线在初始传播方向上的磁场矢量；

步骤2，射线遇到目标发生多次反射，确定多次反射后的磁场强度，根据该磁场强度以及步骤1得到的磁场矢量计算射线在目标表面产生的感应电流，进而采用物理光学积分法确定每次反射感应电流散射场；

步骤3，将所有射线管多次反射产生的感应电流散射场叠加，得到总散射场；

步骤4，对设定的入射电磁波瞬态入射场时域表达式进行离散，然后进行傅里叶变换，得到相应的频域表达式，基于步骤3得到的总散射场，计算频域表达式在带宽内每个频率下的散射场，再进行逆傅里叶变换后，得到对应的时域散射场。

本发明中的一种基于射线追踪的复杂目标时域散射信号仿真方法，利用射线追踪的方法得到电磁波在复杂目标中的反射方向和传播路径，利用物理光学法积分计算得到每条射线与目标相互作用产生的散射场。从而得到单频点下目标的散射场。重复这一步骤，得到一个频段内的目标散射特性，通过傅里叶变换，最终得到复杂目标时域回波散射信号。实验表明，本发明的方法具有较高的仿真精度，而且对计算机的资源占用也比较小。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为发射面与入射方向示意图；

图2为射线追踪示意图；

图3为实验中金属三面角的时域散射回波示意图；

图4为实验中舰船的模型图；

图5为对舰船模型的单站散射回波示意图。

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。

本发明提供了一种基于射线追踪的复杂目标时域散射信号仿真方法，该方法包括以下步骤：

步骤1，将雷达发射至目标的入射电磁波认为是一系列平行传播的射线管，射线从射线管中发出，确定射线在初始传播方向上的磁场矢量。

如图1所示，射线管从发射面发射出来，发射面是与入射方向垂直的虚拟平面，该平面与目标中心的距离需要足够远，使得任意延扩该平面都不会与目标相交。每一根射线管都从发射面发出，为保证精度，射线管的边长设置为入射波长的十分之一。射线管初始的传播方向，即入射波传播方向为

电场矢量为Ε_i，极化方向为h_i，则磁场矢量为：

步骤2，射线遇到目标发生多次反射，确定多次反射后的磁场强度，根据该磁场强度以及步骤1得到的磁场矢量计算射线在目标表面产生感应电流，进而采用物理光学积分法确定每次反射感应电流散射场。

如图2所示，第N次反射后的反射方向为：

其中

为第N次反射前入射电磁波的方向，

为目标与该射线管相交位置处的单位法向量。

为射线管第N次反射后的电场方向：

其中，

为第N次反射前入射电磁波的极化方向。

第N次反射后的电场强度为：

其中

为第N次反射前的入射电场，

R^(N)为第N次反射的反射系数，水平极化时R^(N)＝-1，垂直极化时R^(N)＝1。j为虚数单位，k为电磁波波数，k＝2π/λ，λ为电磁波波长，r^(N)为第N次反射和第N-1次反射之间射线传播的距离。

第N次反射后的磁场强度为：

射线在目标表面产生感应电流为：

其中

为第N次反射前的磁场矢量，

根据物理光学积分，得到每次反射感应电流散射场为：

其中，r为射线与目标相交点到接收雷达的距离，

为散射方向单位向量，η＝120π为真空中的波阻抗，Δs为射线管与目标表面相交的面积。

步骤3，将所有射线管多次反射产生的感应电流散射场叠加，得到总散射场E^s。

步骤4，对于设定的入射电磁波瞬态入射场时域表达式进行离散，然后进行傅里叶变换，得到相应的频域表达式，基于步骤3得到的总散射场，计算频域表达式在带宽内每个频率下的散射场，再进行逆傅里叶变换后，得到对应的时域散射场。

在本实施例中，设定的入射电磁波瞬态入射场时域表达式为：

E_i(t)＝-cos[2πf₀(t-t₀)]·exp[-4π(t-t₀)²/τ²]

其中f₀为时域入射电磁波的中心频率，脉冲宽度τ＝4/Br，Br为入射电磁波的带宽。

将入射电磁波瞬态入射场按Δt的时间间隔进行离散，Δt＝1/(2f₀+Br)。

对离散后的时域表达式进行傅里叶变换，得到入射波频域表达式：

其中f_nf＝nf/(Δt·Nt)，t_n＝n·Δt，n＝0,1,2...Nt，nf＝0,1,2...Nt，Nt为时间采样点数。

以Δf＝1/(Δt·Nt)为间隔，在[f₀-Br/2,f₀+Br/2]区间内用射线追踪方法计算每一个频率下的总散射场的数值E^s(f_nf)。用E^s(f_nf)与E_i(f_nf)相乘，将其乘积再进行逆傅里叶变换，即可得时域散射场：

仿真结果：

在本次实验中，仿真了一个金属三面角结构的时域散射回波。三面角结构边长为1m，其几何结构和所处坐标系如图3所示。入射电磁波的入射角为θ_i＝45°，

中心频率为2GHz，脉冲宽度为1.7ns。图3中上下图分别给出了散射角为θ_s＝45°，

和θ_s＝45°，

时三面角的时域散射回波。可以看出，本发明的方法和准确的数值方法TD-FIT结果进行了比较，曲线非常吻合，证明了本方法的正确性。

下一个实验中，仿真了一个舰船模型的单站散射回波。舰船模型如图4所示。舰船尺寸为：135m×16m×25m。图4给出了散射回波单站结果，入射角为：θ_i＝-90°，

入射电磁波为调制高斯脉冲，中心频率为8GHz，脉冲宽度为2.0ns，带宽为2GHz。仿真结果如图5所示，时域散射回波主要有5个部分，对应着舰船上不同位置回波散射，与实际情况相符。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.一种基于射线追踪的复杂目标时域散射信号仿真方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1，将雷达发射至目标的入射电磁波认为是一系列平行传播的射线管，射线从射线管中发出，确定射线在初始传播方向上的磁场矢量；

步骤2，射线遇到目标发生多次反射，确定多次反射后的磁场强度，根据该磁场强度以及步骤1得到的磁场矢量计算射线在目标表面产生的感应电流，进而采用物理光学积分法确定每次反射感应电流散射场；

步骤3，将所有射线管多次反射产生的感应电流散射场叠加，得到总散射场；

步骤4，对设定的入射电磁波瞬态入射场时域表达式进行离散，然后进行傅里叶变换，得到相应的频域表达式，基于步骤3得到的总散射场，计算频域表达式在带宽内每个频率下的散射场，再进行逆傅里叶变换后，得到对应的时域散射场。

2.如权利要求1所述的一种基于射线追踪的复杂目标时域散射信号仿真方法，其特征在于，步骤1计算磁场矢量的方法为：

射线管初始的传播方向，即入射波传播方向为

电场矢量为Ε_i，则磁场矢量为：

3.如权利要求1所述的一种基于射线追踪的复杂目标时域散射信号仿真方法，其特征在于，步骤2计算每次反射感应电流散射场的方法为：

第N次反射后的电场强度为：

其中

为第N次反射前的入射电场，R^(N)为第N次反射的反射系数，j为虚数单位，k为电磁波波数，k＝2π/λ，λ为电磁波波长，r^(N)为第N次反射和第N-1次反射之间射线传播的距离；

第N次反射后的磁场强度为：

其中

为第N次反射前入射电磁波的方向；

射线在目标表面产生感应电流为：

其中

为目标与射线管相交位置处的单位法向量，

为第N次反射前的磁场矢量，

根据物理光学积分，得到每次反射感应电流散射场为：

其中，r为射线与目标相交点到接收雷达的距离，

为散射方向单位向量，η＝120π为真空中的波阻抗，Δs为射线管与目标表面相交的面积。

4.如权利要求1所述的一种基于射线追踪的复杂目标时域散射信号仿真方法，其特征在于，步骤4计算时域散射场的方法为：

设定的入射电磁波瞬态入射场时域表达式为：

E_i(t)＝-cos[2πf₀(t-t₀)]·exp[-4π(t-t₀)²/τ²]

其中f₀为时域入射电磁波的中心频率，脉冲宽度τ＝4/Br，Br为入射电磁波的带宽；

将入射电磁波瞬态入射场按Δt的时间间隔进行离散，Δt＝1/(2f₀+Br)；

对离散后的时域表达式进行傅里叶变换，得到入射波频域表达式：

其中f_nf＝nf/(Δt·Nt)，t_n＝n·Δt，n＝0,1,2...Nt，nf＝0,1,2...Nt，Nt为时间采样点数；

以Δf＝1/(Δt·Nt)为间隔，在[f₀-Br/2,f₀+Br/2]区间内用射线追踪方法计算每一个频率下的总散射场的数值E^s(f_nf)，用E^s(f_nf)与E_i(f_nf)相乘，将其乘积再进行逆傅里叶变换，即得时域散射场：

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