CN113376597A - 基于数字高程地图和gpu的复杂地形电磁散射快速仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于数字高程地图和GPU的复杂地形电磁散射快速仿真方法，包括以下步骤：将DEM作为实际地形几何模型信息输入，根据DEM对地形数据进行预处理，获得三角面元模型；GPU端的并行计算，包括：初始射线划分、射线追踪、远区散射场计算；将计算结果传到CPU端，计算雷达散射截面,对数据进行后期处理，获得电磁散射仿真模型。利用DEM数据作为实际地形几何模型输入，进一步考虑复杂地形遮蔽效应以及多次散射问题，利用弹跳射线(SBR)算法并结合GPU并行加速技术，建立适用于实际复杂地形的电磁散射快速仿真模型，实现对复杂地形各区域散射回波的快速预估。
Description
技术领域
本发明属于地形分析技术领域，涉及基于数字高程地图和GPU的复杂地形电磁散射快速仿真方法。
背景技术
在利用雷达检测和识别复杂地面上的目标时，来自地面的杂波干扰会严重影响雷达对目标的跟踪和探测能力，研究电磁波与复杂地面相互作用机理，建立复杂地面电磁散射模型，掌握实际复杂地面电磁散射特性，有助于在实际雷达回波中滤除或者减少地杂波信号，对提高目标的预警、判断和侦查能力等具有重要意义。
实际地形起伏复杂多变，地面散射回波与地表参数和雷达参数(入射波频率、极化和入射角等)之间表现出复杂的相互依赖性和关系不确定性，难以采用一种理论模型进行预测。因此，对于实际复杂地形电磁散射问题，需要针对不同的地理环境、不同的频段等情况，考虑地形遮蔽效应以及多次散射问题，建立精确且描述细致的物理几何模型，开发与之相适应的电磁仿真模型。特别是针对实际大场景复杂地形电磁散射问题，需进一步考虑仿真计算时间和计算效率，研究高效的电磁仿真模型，才能满足快速仿真需求。
数字高程模型(DEM)是分析地形的重要基础数据，相对于传统数字地图，DEM可以方便准确的描述不规则地形的地貌特征，是目前研究地形地貌最主要的手段和工具。
为此，本发明提出基于数字高程地图和GPU的复杂地形电磁散射快速仿真方法。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出了基于数字高程地图和GPU的复杂地形电磁散射快速仿真方法。该方法利用DEM数据作为实际地形几何模型输入，进一步考虑复杂地形遮蔽效应以及多次散射问题，利用弹跳射线(SBR)算法并结合GPU并行加速技术，建立适用于实际复杂地形的电磁散射快速仿真模型，实现对复杂地形各区域散射回波的快速预估。
为实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案。
基于数字高程地图和GPU的复杂地形电磁散射快速仿真方法，包括以下步骤：
将DEM作为实际地形几何模型信息输入，根据DEM对地形数据进行预处理，获得矩阵形式的地形数据，并将其转换为三角面元模型；
根据地形几何模型信息划分初始电磁散射射线，每条射线分配给一个GPU线程，并根据入射波方向并行计算初始射线信息；
利用几何光学法并行追踪所有射线的传播路径并计算反射场强，记录与每条射线相交的三角面元编号，确定所述射线路径；
根据确定的射线路径，采用物理光学法计算每个照亮面元处的远区散射场，利用GPU中的规约求和算法，计算所有面元远区散射场之和，得到总散射场；
将计算结果传到CPU端，计算雷达散射截面,对数据进行后期处理，获得复杂地形各区域散射回波，建立电磁散射仿真模型。
优选地，所述数字高程信息对地形数据进行预处理包括对地形数据存储格式转化为矩阵形式，以及网格再剖分。
优选地，所述初始射线信息包括射线起点坐标、射线方向矢量以及射线入射场强。
优选地，所述初始射线划分、射线追踪和远区散射场计算均对应有一个Kernel函数。
优选地，所述几何光学法对射线路径追踪和反射场强的求解方法包括以下步骤：
根据入射射线以及地形几何信息判断初始照亮的面元，如果面元被照亮则继续进行射线追踪；
当追踪完每条射线的传播路径后，射线与目标面元会产生一系列的交点
相邻两点处的场强关系为：
其中，(DF)i和
分别表示点
的散度因子和反射系数矩阵。
优选地，所述远区散射场求解方法包括以下步骤：
对于理想导体散射体，远区散射场公式如下：
其中，
为入射方向单位矢量，
为散射方向单位矢量，
为入射波的磁场强度；
对于介质散射体，利用修正等效电磁流近似方法，根据目标的表面反射系数求出远区散射场表达式：
其中，
和
的表达式分别为：
上式中
和
分别表示入射波在目标体上产生的感应电流密度和感应磁流密度，具体表达式为：
其中，η为空间波阻抗，θ为入射波方向与目标入射点处的法线方向的夹角，ETE和ETM分别表示电场TE分量和TM分量，
和
分别表示TE波和TM波的单位方向矢量，RTE和RTM分别对应TE波和TM波表面反射系数；
最后，总散射场为所有面元散射场之和，具体表达式为：
其中，第一个求和号表示对各阶射线的散射场叠加，第二个求和号表示对每一阶射线跟踪中亮区三角面片的散射场叠加，n为射线跟踪过程中被照亮的面元数量。
本发明有益效果：
本发明提出一种基于DEM和GPU的实际复杂地形电磁散射快速仿真方法，该方法利用DEM数据作为实际地形几何模型输入，进一步考虑复杂地形遮蔽效应以及多次散射问题，利用弹跳射线(SBR)算法并结合GPU并行加速技术，建立适用于实际复杂地形的电磁散射快速仿真模型，实现对复杂地形各区域散射回波的快速预估。
以下结合附图及实施例对本发明作进一步的说明。
附图说明
图1是本发明实施例中并行SBR算法流程图；
图2是本发明实施例中复杂地形几何模型图；
图3是本发明实施例中处理后的复杂地形几何模型图；
图4是本发明实施例中不同入射角下照亮区域判断结果图；
图5是本发明实施例中SBR基本原理图；
图6是本发明实施例中实际复杂地形后向散射RCS随入射角的变化曲线图；
图7是本发明实施例中实际复杂地形归一化后向散射场空间分布图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
基于数字高程地图和GPU的复杂地形电磁散射快速仿真方法，如图1所示，具体包括：
将DEM作为实际地形几何模型信息输入，根据DEM对地形数据进行预处理，对地形数据存储格式转化为矩阵形式，以及网格再剖分，并将其转换为三角面元模型；
将数字高程信息存储为矩阵形式，如图2所示；图2(a)和2(b)分别将三维地形对应的数字高程信息存储为网格矩阵形式并显示，图中区域为4920m*4680m，分辨率为30m；
为了提高模型采样精度，进一步对地形信息进行网格再剖分，图3(a)按照精度15m对几何模型进行网格再剖分。在此基础上，进一步开发数据转换程序，将地形信息由矩阵形式转换为三角面元信息。图3(b)利用数据转换程序将网格信息转换为三角面元信息，并将地形的三角面元信息导入FEKO软件进行显示。
根据地形几何模型信息划分初始电磁散射射线，每条射线分配给一个GPU线程，并根据入射波方向并行计算初始射线信息，初始射线信息包括射线起点坐标、射线方向矢量以及射线入射场强。
根据确定的射线路径，采用物理光学法计算每个照亮面元处的远区散射场，利用GPU中的规约求和算法，计算所有面元远区散射场之和，得到总散射场；具体的，根据入射射线以及地形几何信息判断初始照亮的面元，如果面元被照亮则继续进行射线追踪；图4给出了入射角θi＝30°,60°时，图3所示地形的照亮区域判断结果，其中入射方位角φi＝0°。由图中不难看出，随着入射角度增大，遮蔽效应越加明显，处于暗区(即未被照亮)的面元随之增多。
图5为SBR基本原理，根据GO原理，射线在平面上的反射过程遵循反射定律(Snell定律)，当追踪完每条射线的传播路径后，射线与目标面元会产生一系列的交点
相邻两点处的场强关系为：
其中，(DF)i和
分别表示点
的散度因子和反射系数矩阵。
利用几何光学法并行追踪所有射线的传播路径并计算反射场强，记录与每条射线相交的三角面元编号，确定射线路径；
远区散射场求解方法包括以下步骤：
对于理想导体散射体，远区散射场公式如下：
其中，
为入射方向单位矢量，
为散射方向单位矢量，
为入射波的磁场强度；
对于介质散射体，利用修正等效电磁流近似方法，根据目标的表面反射系数求出远区散射场表达式：
其中，
和
的表达式分别为：
上式中
和
分别表示入射波在目标体上产生的感应电流密度和感应磁流密度，具体表达式为：
其中，η为空间波阻抗，θ为入射波方向与目标入射点处的法线方向的夹角，ETE和ETM分别表示电场TE分量和TM分量，
和
分别表示TE波和TM波的单位方向矢量，RTE和RTM分别对应TE波和TM波表面反射系数；
最后，总散射场为所有面元散射场之和，具体表达式为：
其中，第一个求和号表示对各阶射线的散射场叠加，第二个求和号表示对每一阶射线跟踪中亮区三角面片的散射场叠加，n为射线跟踪过程中被照亮的面元数量。
初始射线划分、射线追踪和远区散射场计算均对应有一个Kernel函数。
将计算结果传到CPU端，计算雷达散射截面,对数据进行后期处理，获得复杂地形各区域散射回波，建立实际复杂地形电磁散射快速仿真模型。
本实施例中，图6给出了基于GPU的并行SBR算法计算得到的实际复杂地形后向散射RCS随入射角的变化曲线。其中，地形几何轮廓如图3所示，入射波频率分别为f＝6GHz(图6(a))和10GHz(图6(b)),入射方位角为φi＝180°，地表类型设为沙壤土，含沙量为S＝51.5％，粘土含量为13.5％，介电参数按照四成分模型计算得到。由图中仿真结果可以看到，该地形类似一个山地，高度起伏明显，整个地形构成一个类似二面角的结构，二次回波较强，因此后向散射随入射角变化不是很明显。
表1对比了X波段基于GPU的并行SBR算法与传统的基于CPU的串行SBR算法仿真时间，仿真参数与图6(b)中一致，仿真时间对应入射角0°～90°共计91个角度采样点的总仿真时间。
由表1的对比结果可已看出，与传统基于CPU的串行算法相比，本发明提出的基于GPU的并行SBR算法能够有效减少仿真计算时间，提高仿真效率，加速比大于40，获得了良好的加速效果。
表1并行射线追踪算法与串行射线追踪算法仿真时间对比
图7进一步给出了采用基于GPU的SBR算法仿真得到的实际复杂地形归一化后向散射场空间分布图，分别为：图7(a)θi＝0°,HH极化；图7(b)θi＝0°,VV极化；图7(c)θi＝45°,HH极化；图7(d)θi＝45°,VV极化；地形几何轮廓如图3所示。
其中，入射波频率f＝10GHz，入射角θi＝0°,45°，入射方位角φi＝180°。由图中可以看出，随着入射角度的改变，实际复杂地形各区域散射场强度分布图也随之改变。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.基于数字高程地图和GPU的复杂地形电磁散射快速仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
将DEM作为实际地形几何模型信息输入，根据DEM对地形数据进行预处理，获得矩阵形式的地形数据，并将其转换为三角面元模型；
根据地形几何模型信息划分初始电磁散射射线，每条射线分配给一个GPU线程，并根据入射波方向并行计算初始射线信息；
利用几何光学法并行追踪所有射线的传播路径并计算反射场强，记录与每条射线相交的三角面元编号，确定所述射线路径；
根据确定的射线路径，采用物理光学法计算每个照亮面元处的远区散射场，利用GPU中的规约求和算法，计算所有面元远区散射场之和，得到总散射场；
将计算结果传到CPU端，计算雷达散射截面,对数据进行后期处理，获得复杂地形各区域散射回波，建立实际复杂地形电磁散射快速仿真模型。
2.根据权利要求1所述的基于数字高程地图和GPU的复杂地形电磁散射快速仿真方法，其特征在于，所述数字高程信息对地形数据进行预处理包括对地形数据存储格式转化为矩阵形式，以及网格再剖分。
3.根据权利要求1所述的基于数字高程地图和GPU的复杂地形电磁散射快速仿真方法，其特征在于，所述初始射线信息包括射线起点坐标、射线方向矢量以及射线入射场强。
4.根据权利要求1所述的基于数字高程地图和GPU的复杂地形电磁散射快速仿真方法，其特征在于，所述初始射线划分、射线追踪和远区散射场计算均对应有一个Kernel函数。
5.根据权利要求1所述的基于数字高程地图和GPU的复杂地形电磁散射快速仿真方法，其特征在于，所述几何光学法对射线路径追踪和反射场强的求解方法包括以下步骤：
根据入射射线以及地形几何信息判断初始照亮的面元，如果面元被照亮则继续进行射线追踪；
当追踪完每条射线的传播路径后，射线与目标面元会产生一系列的交点
相邻两点处的场强关系为：
其中，(DF)i和
分别表示点
的散度因子和反射系数矩阵。
6.根据权利要求1所述的基于数字高程地图和GPU的复杂地形电磁散射快速仿真方法，其特征在于，所述远区散射场求解方法包括以下步骤：
对于理想导体散射体，远区散射场公式如下：
其中，
为入射方向单位矢量，
为散射方向单位矢量，
为入射波的磁场强度；
对于介质散射体，利用修正等效电磁流近似方法，根据目标的表面反射系数求出远区散射场表达式：
其中，
和
的表达式分别为：
上式中
和
分别表示入射波在目标体上产生的感应电流密度和感应磁流密度，具体表达式为：
其中，η为空间波阻抗，θ为入射波方向与目标入射点处的法线方向的夹角，ETE和ETM分别表示电场TE分量和TM分量，
和
分别表示TE波和TM波的单位方向矢量，RTE和RTM分别对应TE波和TM波表面反射系数；
最后，总散射场为所有面元散射场之和，具体表达式为：
其中，第一个求和号表示对各阶射线的散射场叠加，第二个求和号表示对每一阶射线跟踪中亮区三角面片的散射场叠加，n为射线跟踪过程中被照亮的面元数量。
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