CN113567941B - 一种目标近场多普勒回波快速仿真方法 - Google Patents

一种目标近场多普勒回波快速仿真方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种目标近场多普勒回波快速仿真方法，包括：步骤S1建立弹目交会坐标系，设置弹目相对速度、弹目相对姿态、脱靶量和脱靶方位；步骤S2、进行分级矩阵的构造；步骤S3、填充当前采样时刻激励矩阵，采用迭代方法或直接法求解矩阵方程，获取当前采样时刻后向雷达截面；步骤S4、根据雷达方程计算近场多普勒回波功率；步骤S5、重复步骤S3和步骤S4，计算目标近场多普勒回波时间序列，本发明实现了回波仿真各采样时刻阻抗矩阵逆矩阵的重用，采用分级矩阵大幅提升了阻抗矩阵求逆的计算效率，对于弹目交会回波仿真这类多右端项求解问题，大幅提高了仿真速度。

Description

一种目标近场多普勒回波快速仿真方法
技术领域
本发明涉及雷达目标电磁散射特性仿真技术领域，具体涉及一种目标近场多普勒回波快速仿真方法。
背景技术
目标近场多普勒回波在引信设计、研制和评估阶段均发挥着重要作用。常用的目标近场多普勒回波仿真方法包括基于散射中心模型、基于高频近似方法和基于数值方法三类。
现有技术中基于散射中心模型和基于高频近似方法的近场多普勒回波仿真速度较快，但对于复杂材质和腔体等特殊部件仿真精度有限。基于数值方法的仿真精度较高，但仿真速度难以满足要求。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种目标近场多普勒回波快速仿真方法。此方法旨在解决传统雷达目标电磁散射特性仿真方法中对于复杂材质和腔体等特殊部件仿真精度有限，仿真速度难以满足要求的问题。
为达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种目标近场多普勒回波快速仿真方法，包括：
步骤S1、建立弹目交会坐标系，设置弹目相对速度、弹目相对姿态、脱靶量和脱靶方位；
步骤S2、建立目标模型的几何多级分区，根据所述多级分区，进行分级矩阵的构造；
步骤S3、填充当前采样时刻激励矩阵，采用迭代方法或直接法求解矩阵方程，获取当前采样时刻后向雷达截面；
步骤S4、根据雷达方程，计算近场多普勒回波功率；
步骤S5、重复步骤S3和步骤S4，计算目标近场多普勒回波时间序列，
优选的，在步骤S2中，所述分级矩阵的构造包括：
步骤S201：建立目标模型的基函数多级分区结构；
步骤S202：建立系统矩阵多级分块结构；
步骤S203：压缩填充系统矩阵。
优选的，在步骤S201中，所述建立目标模型的基函数多级分区结构包括：通过三角形网格离散所述目标表面，得到总数为N的局域基函数，将所述目标拆分为两个子区域，每个所述子区域包含近似相同的N/2个未知量，采用递归拆分所述目标，直至每个所述子区域包含的所述未知量不超过预设阈值n，根据基函数的空间分布，构成均分二叉树。
优选的，在步骤S202中，所述建立系统矩阵多级分块结构包括：对于所述基函数多级分区结构中位于同一层数的两个基函数组，根据所述同一层数的两个基函数组组中心的相对距离判断远区耦合或近区耦合。
优选的，判断远区耦合或近区耦合采用相容性条件，所述相容性条件的表达式为：
max{D(Ωi)D(Ωj)}＜η·dist(ΩiΩj)
其中，Ω表示基函数组；
Ωi表示第i个基函数组；
Ωj表示第j个基函数组；
D表示几何直径；
D(Ωi)表示第i个基函数组的几何直径；
D(Ωj)表示第j个基函数组的几何直径；
dist表示两基函数组之间的几何距离；
η为一预设正实数。
优选的，若所述同一层数的两个基函数组满足相容性条件，则为远区耦合；若所述同一层数的两个所述基函数组不满足相容性条件，则为近区耦合。
优选的，在步骤S203中，所述压缩填充系统矩阵包括：若两个所述基函数组为远区耦合，得到对应矩阵块有低秩特性，采用快速低秩压缩方法填充，所述对应矩阵块表示成两个低秩矩阵相乘的形式。若两个所述基函数组为近区耦合，则对下一层子组的两个所述基函数组进行判断，依次类推，直到最底层子组的两个所述基函数组，所有近区耦合的两个所述基函数组采用矩量法直接填充。
优选的，在步骤S3中，所述填充当前采样时刻激励矩阵包括：根据当前采样时刻的弹目相对姿态和天线方向图，确定局部照射区域，填充所述激励矩阵。
优选的，在步骤S4中，所述近场多普勒回波功率的计算表达式为：
其中，Pr为接收天线处的接收功率；
Pt为发射天线的辐射功率；
R为天线到目标的距离；
Gt为雷达发射天线的增益；
Gr为雷达接受天线的增益；
λ为入射波波长；
σ为后向雷达截面。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过积分方程框架下的直接求解法，实现了回波仿真各采样时刻阻抗矩阵逆矩阵的重用，采用分级矩阵大幅提升了阻抗矩阵求逆的计算效率，对于弹目交会回波仿真这类多右端项求解问题，计算效率显著优于现有技术中多层快速多极子迭代类方法，使得仿真速度满足要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，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为本发明一实施例提供的一种目标近场多普勒回波快速仿真方法的流程示意图；
图2为本发明一实施例提供的目标近场多普勒回波快速仿真场景示意图；
图3为本发明一实施例提供的目标近场多普勒仿真效果图。
具体实施方式
以下结合附图1-3和具体实施方式对本发明提出的一种目标近场多普勒回波快速仿真方法作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
鉴于传统雷达目标电磁散射特性仿真方法存在的不足，为了保证对于复杂材质和腔体等特殊部件仿真精度，提高仿真效率，本实施例提供了一种目标近场多普勒回波快速仿真方法，包括以下步骤：
步骤S1、建立弹目交会坐标系，设置弹目相对速度、弹目相对姿态、脱靶量和脱靶方位；
步骤S2、建立目标模型的几何多级分区，根据所述多级分区，进行分级矩阵的构造，所述分级矩阵的构造包括：
步骤S201：建立目标模型的基函数多级分区结构，通过三角形网格离散所述目标表面，得到总数为N的局域基函数，将所述目标拆分为两个子区域，每个所述子区域包含近似相同的N/2个未知量，采用递归拆分所述目标，直至每个所述子区域包含的所述未知量不超过预设阈值n，根据基函数的空间分布，构成均分二叉树；
步骤S202：建立系统矩阵多级分块结构；所述建立系统矩阵多级分块结构包括：对于所述基函数多级分区结构中位于同一层数的两个基函数组，根据所述同一层数的两个基函数组组中心的相对距离判断远区耦合或近区耦合；判断远区耦合或近区耦合采用相容性条件，所述相容性条件的表达式为：
max{D(Ωi)D(Ωj)}＜η·dist(ΩiΩj) (1)
其中，Ω表示基函数组；
Ωi表示第i个基函数组；
Ωj表示第j个基函数组；
D表示几何直径；
D(Ωi)表示第i个基函数组的几何直径；
D(Ωj)表示第j个基函数组的几何直径；
dist表示两基函数组之间的几何距离；
η为一预设正实数，
若所述同一层数的两个基函数组满足相容性条件，则为远区耦合；若所述同一层数的两个所述基函数组不满足相容性条件，则为近区耦合；
步骤S203：压缩填充系统矩阵，，所述压缩填充系统矩阵包括：若两个所述基函数组为远区耦合，得到对应矩阵块有低秩特性，采用快速低秩压缩方法填充，所述对应矩阵块表示成两个低秩矩阵相乘的形式；若两个所述基函数组为近区耦合，则对下一层子组的两个所述基函数组进行判断，依次类推，直到最底层子组的两个所述基函数组，所有近区耦合的两个所述基函数组采用矩量法(MOM)直接填充；
步骤S3、填充当前采样时刻激励矩阵，采用迭代方法或直接法求解矩阵方程，获取当前采样时刻后向雷达截面；
所述填充当前采样时刻激励矩阵包括：根据当前采样时刻的弹目相对姿态和天线方向图，确定局部照射区域，填充所述激励矩阵；
步骤S4、根据雷达方程，计算近场多普勒回波功率；所述近场多普勒回波功率的计算表达式为：
其中，Pr为接收天线处的接收功率；
Pt为发射天线的辐射功率；
R为天线到目标的距离；
Gt为雷达发射天线的增益；
Gr为雷达接受天线的增益；
λ为入射波波长；
σ为后向雷达截面；
步骤S5、重复步骤S3和步骤S4，计算目标近场多普勒回波时间序列。
进一步，为了验证本实施例提供的一种目标近场多普勒回波快速仿真方法的精度与效率，本实施例中，进行了腔体目标近场多普勒回波仿真，并进行了精度与效率分析。仿真场景示意图如图2所示，Ku波段，脱靶量3m，弹道为平行Y轴点划线。
仿真结果如图3所示，实线为矩量法仿真结果，虚线为本专利基于分级矩阵的直接求解法仿真结果，所示图3说明本实施例提供的一种目标近场多普勒回波快速仿真方法的准确性，通过图3能够看出两种方法差异很小，两者仿真回波误差均值为0.3dB，验证了本实施例提供的一种目标近场多普勒回波快速仿真方法的精度。矩量法用时7.5小时，快速多极子用时约30小时，本专利方法用时2.5小时，本实施例提供的一种目标近场多普勒回波快速仿真方法的采用的分级矩阵相比于矩量法直接求逆矩阵效率提升约3倍，相比于迭代求解类的快速多极子效率提升一个数量级。
综上所述，本实施例所提供的一种目标近场多普勒回波快速仿真方法，在积分方程框架下，采用基于分级矩阵的直接求解法，大幅提升阻抗矩阵求逆计算效率，并在回波仿真的各采样时刻实现分级矩阵重用，对于弹目交会回波仿真这一多右端项求解问题，计算效率显著优于多层快速多极子等迭代类方法。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
应当注意的是，在本文的实施方式中所揭露的装置和方法，也可以通过其他的方式实现。以上所描述的装置实施方式仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本文的多个实施方式的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用于执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
另外，在本文各个实施方式中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种目标近场多普勒回波快速仿真方法，其特征在于，包括：
步骤S1、建立弹目交会坐标系，设置弹目相对速度、弹目相对姿态、脱靶量和脱靶方位；
步骤S2、建立目标模型的几何多级分区，根据所述多级分区，进行分级矩阵的构造；
步骤S3、填充当前采样时刻激励矩阵，采用迭代方法或直接法求解矩阵方程，获取当前采样时刻后向雷达截面；
步骤S4、根据雷达方程，计算近场多普勒回波功率，所述近场多普勒回波功率的计算表达式为：
其中，Pr为接收天线处的接收功率；
Pt为发射天线的辐射功率；
R为天线到目标的距离；
Gt为雷达发射天线的增益；
Gr为雷达接受天线的增益；
λ为入射波波长；
σ为后向雷达截面；
步骤S5、重复步骤S3和步骤S4，计算目标近场多普勒回波时间序列。
2.如权利要求1所述的目标近场多普勒回波快速仿真方法，其特征在于，在步骤S2中，所述分级矩阵的构造包括：
步骤S201：建立目标模型的基函数多级分区结构；
步骤S202：建立系统矩阵多级分块结构；
步骤S203：压缩填充系统矩阵。
3.如权利要求2所述的目标近场多普勒回波快速仿真方法，其特征在于，在所述步骤S201中，所述建立目标模型的基函数多级分区结构包括：通过三角形网格离散所述目标表面，得到总数为N的局域基函数，将所述目标拆分为两个子区域，每个所述子区域包含近似相同的N/2个未知量，采用递归拆分所述目标，直至每个所述子区域包含的所述未知量不超过预设阈值n，根据基函数的空间分布，构成均分二叉树。
4.如权利要求3所述的目标近场多普勒回波快速仿真方法，其特征在于，在所述步骤S202中，所述建立系统矩阵多级分块结构包括：对于所述基函数多级分区结构中位于同一层数的两个基函数组，根据所述同一层数的两个基函数组组中心的相对距离判断远区耦合或近区耦合。
5.如权利要求4所述的目标近场多普勒回波快速仿真方法，其特征在于，判断远区耦合或近区耦合采用相容性条件，所述相容性条件的表达式为：
max{D(Ωi)D(Ωj)}＜ηdist(Ωi Ωj)
其中，Ω表示基函数组；
Ωi表示第i个基函数组；
Ωj表示第j个基函数组；
D表示几何直径；
D(Ωi)表示第i个基函数组的几何直径；
D(Ωj)表示第j个基函数组的几何直径；
dist表示两基函数组之间的几何距离；
η为一预设正实数。
6.如权利要求5所述的目标近场多普勒回波快速仿真方法，其特征在于，若所述同一层数的两个基函数组满足所述相容性条件，则为远区耦合；若所述同一层数的两个所述基函数组不满足所述相容性条件，则为近区耦合。
7.如权利要求6所述的目标近场多普勒回波快速仿真方法，其特征在于，在所述步骤S203中，所述压缩填充系统矩阵包括：若两个所述基函数组为远区耦合，得到对应矩阵块有低秩特性，采用快速低秩压缩方法填充，所述对应矩阵块表示成两个低秩矩阵相乘的形式；
若两个所述基函数组为近区耦合，则对下一层子组的两个所述基函数组进行判断，依次类推，直到最底层子组的两个所述基函数组，所有近区耦合的两个所述基函数组采用矩量法直接填充。
8.如权利要求1所述的目标近场多普勒回波快速仿真方法，其特征在于，在所述步骤S3中，所述填充当前采样时刻激励矩阵包括：根据当前采样时刻的弹目相对姿态和天线方向图，确定局部照射区域，填充所述激励矩阵。
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