CN113609646A - 一种复杂陆地环境与装备的耦合电磁散射特性建模仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复杂陆地环境与装备的耦合电磁散射特性建模仿真方法，包括：对复杂陆地环境进行精细几何建模；对地面装备的雷达目标进行精细几何建模；对所述复杂陆地环境进行电磁散射特性建模；对所述地面装备的雷达目标进行电磁散射特性建模和仿真；根据上述步骤完成复杂陆地环境的地面装备的雷达目标电磁散射特性仿真和建模。

Description

一种复杂陆地环境与装备的耦合电磁散射特性建模仿真方法

技术领域

本发明涉及仿真建模领域，具体涉及一种复杂陆地环境与装备的耦合电磁散射特性建模仿真方法。

背景技术

随着雷达探测和目标识别技术的飞速发展，目标和环境电磁散射特性的研究越来越得到国内外学者的广泛关注。当电磁波照射物体时，物体正负电子中心的相对位移形成电偶极矩，产生感应电流；物体上所有电偶极矩的辐射场相互干涉形成空间的散射场。因此，散射场是电磁波与被照射物体相互作用的结果。物体的散射回波中往往包含被照射物体的几何形状和电磁参数信息，为目标识别和特征提取提供了重要信息。雷达目标通常分为两大类：一类是确定性目标，如导弹、飞机、坦克等；另一类是确定性目标所处的自然环境面目标，如实际土壤、海面、植被、森林、沙漠等；对这两类目标散射特性的研究形成了目标与环境特性领域中的重要内容。地面目标电磁特性主要是指坦克、装甲车、导弹发射车、直升飞机等各类可移动目标和机场、指挥中心、交通枢纽等各类固定目标的电磁散射辐射特性，其环境特性是指雷达探测地面目标时涉及的地面背景特性。地面目标及其环境特性应该重点关注地面目标与复杂环境耦合特性、复杂地物环境特征获取、积累和模化等基础问题。

申请公布号CN106872978A涉及一种复杂场景的电磁建模仿真方法，综合现有的合成孔径雷达仿真手段，利用真实场景高程数据，小面元模型，自然地表的电磁散射参数，模拟合成孔径雷达回波信号，采用高程数据差异化处理的建模方式，得到了目标结合地形场景的仿真图像。

授权公告号CN109239684B公开了一种基于电磁散射模型的雷达目标回波模拟系统及其模拟方法，利用电磁场仿真软件，以雷达目标精确三维几何模型为输入，设置雷达频率、空间的角度等参数，离线仿真计算雷达目标电磁散射特性；生成雷达目标在不同频率和不同空间角度下的目标电磁散射特性数据，并形成散射模型数据库；雷达目标回波仿真时，根据雷达测试的频率和轨道信息预先加载目标电磁散射特性数据至模拟器数字储频单元(DRFM)；DRFM通过查表方式对仿真频率及当前仿真姿态下的目标电磁散射特性数据进行实时传输；信号处理单元控制DRFM完成雷达发射信号与目标散射特性数据频域卷积，并对卷积结果进行逆傅立叶变换处理得到目标时域回波。

目前存在的主要问题

综上所述，国内外学者对于地海环境及其与目标的复合电磁散射在实验和理论方面已做了大量的研究。但是对于实际战场环境中军事需求来说，该领域研究工作还存在如下问题：

①对含多地物背景的电磁散射特性研究较少

现阶段国内外学者主要针对复杂海背景电磁散射特性进行了大量实验和理论仿真研究。对实际地物背景，除现有的少量实验数据外，国内外学者均利用已有的统计模型或其修正模型对其散射特性进行仿真。一方面由于地物背景中地形、地貌种类繁杂，现有统计模型无法完全满足仿真需求，尤其是对含多地物背景的电磁散射特性进行仿真时，统计模型完全失效；另一方面，不同季节、不同气候下同一地物背景散射特征差异较大，而统计模型无法对该差异进行有效模拟。

②考虑局部精细结构的地面装备目标与复杂地物背景复合散射研究相对较少

现阶段国内外学者针对复杂海面与目标复合电磁散射特性开展了大量研究，也取得了一定的成果。但尚有两方面内容研究较少：一方面，针对复杂陆地环境与目标的复合散射特性研究较少。陆地环境与海面环境相比，有其独特的特性，其地形、地貌种类繁多，造成其回波特性没有统一规律。且对于含多地形、地貌的复杂地面与目标的复合散射，需考虑目标—地形—地貌两两之间会存在复杂的相互作用。另一方面，鲜有学者对考虑精细结构的地面装备雷达目标与陆地背景复合散射特性进行研究。受限于现有仿真手段及仿真平台的影响，现阶段所仿真目标均进行了大量简化，不考虑侦察天线、履带、负重轮、炮塔等特殊部件，但这些特殊部件会对仿真结果造成巨大影响，从而影响目标探测、识别的精度。

③大区域复杂陆地环境与电大尺寸地面装备目标复合散射快速计算问题

实际雷达波束照射下，一个雷达波束范围非常大，对其所包围的区域进行电磁散射仿真属于超电大尺寸目标散射问题，其范围既包含大区域复杂陆地环境，又包括电大尺寸地面装备雷达目标。但受现阶段科学技术发展的影响，目前国内外学者仅对电大尺寸地面装备雷达目标的散射特性进行了仿真和分析，暂无学者对大区域复杂陆地环境与电大尺寸地面装备雷达目标复合散射特性进行研究，也无相对应的快速仿真方法。同时，一个雷达波束内往往包含有多种地物背景，这使得仿真时必须针对不同的地貌采用不同的仿真方法，还需要考虑各地物以及地物与目标间的耦合作用，进一步加剧了仿真的困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复杂陆地环境与装备的耦合电磁散射特性建模仿真方法，具体步骤包括：

S1：对复杂陆地环境进行精细几何建模；

S2：对地面装备的雷达目标进行精细几何建模；

S3：对复杂陆地环境进行电磁散射特性建模；

S4：对地面装备的雷达目标进行电磁散射特性建模和仿真；

根据上述步骤完成复杂陆地环境的地面装备的雷达目标电磁散射特性仿真和建模。

优选地，对复杂陆地环境进行精细几何建模，具体步骤包括：

S11：采用线性滤波方法，建立不同组分、不同颗粒大小的实际裸土表面的土地几何模型；

S12：采用线性滤波方法，建立包含面层、基层、底基层、路基的分层沥青路面的路面几何模型；

S13：针对草地叶子和茎无明显分界线及茎尺寸较小的情况，对现有植被MIMICS模型进行修正，建立不同季节、不同地域、不同针叶大小、不同分布的双层草地几何模型。

S14：结合已建立的土地几何模型、路面几何模型、草地几何模型，基于加权反正切函数，对以上三种不同地貌边界处进行平滑处理，完成建立至少含以上两种及以上不同类型地貌的复杂陆地环境几何模型。

优选地，对地面装备的雷达目标进行精细几何建模，具体步骤包括：

S21：建立地面装备的几何建模，并对地面装备的零部件进行精细几何建模。

S22：采用不同的电磁散射计算方法对地面装备以不同的方式进行剖分，针对雷达工作频段和拟采用的电磁散射计算方法，运用三角平面元、NURBS曲面剖分技术建立地面装备精细结构的剖分模型。

S23：基于分区思想和计算机并行加速技术意见高效分区FMM算法，实现对L波段下地面装备的电磁散射特性的仿真；采用PO-FMM混合算法研究，实现S、C波段下地面装备的电磁散射仿真，通过PO-FMM方法中FMM用于求解地面装备的零部件表面的感应电流，利用PO求解除特殊部件外其余部分的散射特性，二者之间的耦合作用通过多路径思想和迭代原理进行求解；X波段下采用SBR方法对地面装备进行电磁散射建模。

优选地，对复杂陆地环境进行电磁散射特性建模，具体步骤包括：

S31：根据四成分模型，建立土壤的等效介电参数模型，并分析入射波频率、土壤成分、温度和湿度参量对土壤介电参数的影响，将典型草地看做由束缚水、自由水、叶片等组成的混合体，并考虑冠层中空气所占比例，利用双弥散模型建立植被的等效介电参数模型；沥青路面由骨料、沥青、空气组成，根据等效介质理论，采用修正线性模型建立分层沥青路面的等效介电常数模型。

S32：基于矢量辐射传输理论(VRT)研究植被中冠层与电磁波的相互作用，建立入射波-冠层-散射场之间的一一对应关系，依据体—面复合散射理论，采用物理光学法计算地面层对雷达照射波的直接感应电磁流，利用惠更斯原理和等效原理分析各层间的相互耦合作用，建立草地的电磁散射模型；

S33：针对裸土地面起伏小、分层的特点，基于随机介质中的波传播与散射理论，采用小斜率近似方法研究微起伏裸土的电磁散射特性，分析雷达参数、地面参数对雷达回波信号的影响；

S34：针对沥青路面，起伏小、分层的特点，基于随机介质中的波传播与散射理论，采用微扰法其电磁散射特性，分析雷达参数、路面参数等对雷达回波信号的影响。

S35：针对雷达波束照射范围内同时包含土地几何模型、路面几何模型、草地几何模型的两种或者三种的情况，采用射线追踪法(RT)结合区域分解技术对包含多种地貌的大区域复杂陆地背景的电磁散射进行求解，其中同一地貌为一个区域，该区域电磁散射采用上述S32-S344中算法进行计算，各区域之间的耦合作用、多径效应作用，采用RT进行求解。

优选地，对地面装备的雷达目标进行电磁散射特性建模和仿真，具体步骤包括：

S41：将利用线性滤波法模拟生成的二维粗糙地面转换成网格格式为STL格式，通过商业软件中的逆向工程插件对STL格式的二维粗糙地面转化为非有理B样条描述的粗糙曲面；并将非有理B样条描述的粗糙曲面和地面装备的模型进行布尔运算获取复杂环境与地面装备目标一体化几何模型。

S42：利用电磁场高低频混合算法KA-FMM对L波段下复杂陆地环境中的地面装备复合电磁散射进行建模仿真，混合算法中KA主要用于对复杂环境电磁散射进行仿真，FMM用于目标表面感应电流的模拟，二者之间的耦合作用通过迭代策略进行求解。

S43：基于互易性定理、多路径模型及迭代策略研究IPO方法，并结合区域分解技术、局部耦合技术、快速远场近似技术对S、C波段下复杂陆地背景中地面装备的复合电磁散射模型进行求解。

S44：采用RT+PO+PTD的多重混合算法求解X波段下大尺度复杂陆地环境与地面装备的复合电磁散射，并利用八叉树、二叉树等树状数据结构有效减少射线和面元的求交次数，提高射线寻迹效率，同时结合CPU并行加速技术与GPU加速技术从计算机硬件上进行加速，CPU并行通过任务粒度的确定、负载平衡、数据通信的控制以及并行步骤的规划实现对并行算法的进一步优化；GPU并行通过异步传输技术隐藏数据传输时间、共享存储器加快数据存取时间等进一步优化。

优选地，复杂陆地环境与装备的耦合电磁散射特性建模仿真方法还包括如下步骤：

S5：对复杂陆地环境中的地面装备的雷达目标散射特性建模和仿真的模型进行校验；

S6：对校验后的复杂陆地环境中的地面装备的目标散射特性建模和仿真的模型的特征进行分析并完成。

优选地，对复杂陆地环境中的地面装备的雷达目标散射特性建模和仿真的模型进行校验，具体步骤包括：

S51：与实测数据对比:采用电磁散射测量、复杂陆地环境电磁散射测量及复杂陆地环境下的地面装备复合电磁散射测量实验，上述算法的有效性通过与实测数据对比来验证，在实验结果未出之前，通过与并行FMM算法结果对比两方面开展校验。

S52：与并行FMM算法结果对比：分别利用并行FMM算法及上述算法对相同雷达参数、目标参数、陆地背景参数下的目标单双站RCS、陆地环境RCS、复合RCS进行求解，并相互对比验证。

优选地，对校验后的复杂陆地环境中的地面装备的目标散射特性建模和仿真的模型的特征进行分析并完成还包括如下步骤：

S61：对修正过的仿真算法进行综合集成，形成复杂陆地环境中地面装备仿真数据包，仿真数据包包含输入模块、显示模块、仿真计算模块、输出模块；

S62：基于上述仿真数据包获取地面装备、单一地貌陆地环境、复杂陆地背景与一维高分辨距离像雷达特征信号，分析雷达参数、陆地背景参数、目标参数对单/双站RCS、一维高分辨距离像的影响。

优选地，结合已建立的土地几何模型、路面几何模型、草地几何模型，基于加权反正切函数，对以上三种不同地貌边界处进行平滑处理，具体还包括：针对草地叶子和茎无明显分界线及茎尺寸较小的情况，对草地几何模型进行修正。

优选地，对复杂陆地环境中的地面装备的雷达目标散射特性建模和仿真的模型进行校验，具体还包括：仿真精度的RCS平均误差小于4dB。

本发明方法具有如下优点：

开展复杂陆地背景下某型装备雷达目标特性建模仿真及软件开发研究。结合计算机辅助设计、相关粗糙面几何建模方法、计算电磁学等手段对复杂陆地背景中目标电磁散射特性进行仿真。能够建立(包含两种不同类型)复杂陆地环境及地面装备的几何模型、(包含两种不同类型)复杂陆地环境的电磁散射模型、地面装备的电磁散射模型及复杂陆地环境与地面装备的复合电磁散射模型。

附图说明

图1为本发明的复杂陆地环境与装备的耦合电磁散射特性建模仿真方法的流程图；

图2为本发明的申请总体方案框图；

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的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。

实施例1：

如图1所示，本发明提供了一种复杂陆地环境与装备的耦合电磁散射特性建模仿真方法，具体步骤包括：

S1：对复杂陆地环境进行精细几何建模；

S2：对地面装备的雷达目标进行精细几何建模；

S3：对复杂陆地环境进行电磁散射特性建模；

S4：对地面装备的雷达目标进行电磁散射特性建模和仿真；

根据上述步骤完成复杂陆地环境的地面装备的雷达目标电磁散射特性仿真和建模。

根据上述方案，进一步地，对复杂陆地环境进行精细几何建模，具体步骤包括：

S11：采用线性滤波方法，建立不同组分、不同颗粒大小的实际裸土表面的土地几何模型；

S12：采用线性滤波方法，建立包含面层、基层、底基层、路基的分层沥青路面的路面几何模型；

S13：针对草地叶子和茎无明显分界线及茎尺寸较小的情况，对现有植被MIMICS模型进行修正，建立不同季节、不同地域、不同针叶大小、不同分布的双层草地几何模型。

S14：结合已建立的土地几何模型、路面几何模型、草地几何模型，基于加权反正切函数，对以上三种不同地貌边界处进行平滑处理，完成建立至少含以上两种及以上不同类型地貌的复杂陆地环境几何模型。

根据上述方案，进一步地，对地面装备的雷达目标进行精细几何建模，具体步骤包括：

S21：建立地面装备的几何建模，并对地面装备的零部件进行精细几何建模。

S22：采用不同的电磁散射计算方法对地面装备以不同的方式进行剖分，针对雷达工作频段和拟采用的电磁散射计算方法，运用三角平面元、NURBS曲面剖分技术建立地面装备精细结构的剖分模型。

S23：基于分区思想和计算机并行加速技术意见高效分区FMM算法，实现对L波段下地面装备的电磁散射特性的仿真；采用PO-FMM混合算法研究，实现S、C波段下地面装备的电磁散射仿真，通过PO-FMM方法中FMM用于求解地面装备的零部件表面的感应电流，利用PO求解除特殊部件外其余部分的散射特性，二者之间的耦合作用通过多路径思想和迭代原理进行求解；X波段下采用SBR方法对地面装备进行电磁散射建模。

根据上述方案，进一步地，对复杂陆地环境进行电磁散射特性建模，具体步骤包括：

S31：根据四成分模型，建立土壤的等效介电参数模型，并分析入射波频率、土壤成分、温度和湿度参量对土壤介电参数的影响，将典型草地看做由束缚水、自由水、叶片等组成的混合体，并考虑冠层中空气所占比例，利用双弥散模型建立植被的等效介电参数模型；沥青路面由骨料、沥青、空气组成，根据等效介质理论，采用修正线性模型建立分层沥青路面的等效介电常数模型。

S32：基于矢量辐射传输理论(VRT)研究植被中冠层与电磁波的相互作用，建立入射波-冠层-散射场之间的一一对应关系，依据体—面复合散射理论，采用物理光学法计算地面层对雷达照射波的直接感应电磁流，利用惠更斯原理和等效原理分析各层间的相互耦合作用，建立草地的电磁散射模型；

S33：针对裸土地面起伏小、分层的特点，基于随机介质中的波传播与散射理论，采用小斜率近似方法研究微起伏裸土的电磁散射特性，分析雷达参数、地面参数对雷达回波信号的影响；

S34：针对沥青路面，起伏小、分层的特点，基于随机介质中的波传播与散射理论，采用微扰法其电磁散射特性，分析雷达参数、路面参数等对雷达回波信号的影响。

S35：针对雷达波束照射范围内同时包含土地几何模型、路面几何模型、草地几何模型的两种或者三种的情况，采用射线追踪法(RT)结合区域分解技术对包含多种地貌的大区域复杂陆地背景的电磁散射进行求解，其中同一地貌为一个区域，该区域电磁散射采用上述S32-S344中算法进行计算，各区域之间的耦合作用、多径效应作用，采用RT进行求解。

根据上述方案，进一步地，对地面装备的雷达目标进行电磁散射特性建模和仿真，具体步骤包括：

S41：将利用线性滤波法模拟生成的二维粗糙地面转换成网格格式为STL格式，通过商业软件中的逆向工程插件对STL格式的二维粗糙地面转化为非有理B样条描述的粗糙曲面；并将非有理B样条描述的粗糙曲面和地面装备的模型进行布尔运算获取复杂环境与地面装备目标一体化几何模型。

S42：利用电磁场高低频混合算法KA-FMM对L波段下复杂陆地环境中的地面装备复合电磁散射进行建模仿真，混合算法中KA主要用于对复杂环境电磁散射进行仿真，FMM用于目标表面感应电流的模拟，二者之间的耦合作用通过迭代策略进行求解。

S43：基于互易性定理、多路径模型及迭代策略研究IPO方法，并结合区域分解技术、局部耦合技术、快速远场近似技术对S、C波段下复杂陆地背景中地面装备的复合电磁散射模型进行求解。

S44：采用RT+PO+PTD的多重混合算法求解X波段下大尺度复杂陆地环境与地面装备的复合电磁散射，并利用八叉树、二叉树等树状数据结构有效减少射线和面元的求交次数，提高射线寻迹效率，同时结合CPU并行加速技术与GPU加速技术从计算机硬件上进行加速，CPU并行通过任务粒度的确定、负载平衡、数据通信的控制以及并行步骤的规划实现对并行算法的进一步优化；GPU并行通过异步传输技术隐藏数据传输时间、共享存储器加快数据存取时间等进一步优化。

根据上述方案，进一步地，复杂陆地环境与装备的耦合电磁散射特性建模仿真方法还包括如下步骤：

S5：对复杂陆地环境中的地面装备的雷达目标散射特性建模和仿真的模型进行校验；

S6：对校验后的复杂陆地环境中的地面装备的目标散射特性建模和仿真的模型的特征进行分析并完成。

优选地，对复杂陆地环境中的地面装备的雷达目标散射特性建模和仿真的模型进行校验，具体步骤包括：

S51：与实测数据对比:采用电磁散射测量、复杂陆地环境电磁散射测量及复杂陆地环境下的地面装备复合电磁散射测量实验，上述算法的有效性通过与实测数据对比来验证，在实验结果未出之前，通过与并行FMM算法结果对比两方面开展校验。

S52：与并行FMM算法结果对比：分别利用并行FMM算法及上述算法对相同雷达参数、目标参数、陆地背景参数下的目标单双站RCS、陆地环境RCS、复合RCS进行求解，并相互对比验证。

根据上述方案，进一步地，对校验后的复杂陆地环境中的地面装备的目标散射特性建模和仿真的模型的特征进行分析并完成还包括如下步骤：

S61：对修正过的仿真算法进行综合集成，形成复杂陆地环境中地面装备仿真数据包，仿真数据包包含输入模块、显示模块、仿真计算模块、输出模块；

S62：基于上述仿真数据包获取地面装备、单一地貌陆地环境、复杂陆地背景与一维高分辨距离像雷达特征信号，分析雷达参数、陆地背景参数、目标参数对单/双站RCS、一维高分辨距离像的影响。

根据上述方案，进一步地，结合已建立的土地几何模型、路面几何模型、草地几何模型，基于加权反正切函数，对以上三种不同地貌边界处进行平滑处理，具体还包括：针对草地叶子和茎无明显分界线及茎尺寸较小的情况，对草地几何模型进行修正。

根据上述方案，进一步地，对复杂陆地环境中的地面装备的雷达目标散射特性建模和仿真的模型进行校验，具体还包括：仿真精度的RCS平均误差小于4dB。

实施例2：

下面结合T-90坦克在北方平原陆地表面复杂地形的的雷达目标电磁散射特性仿真建模方法进行具体说明：

(1)复杂陆地环境和地面装备的精细几何建模。

T-90坦克目标高精度几何模型，几何尺寸应为实际T-90坦克尺寸，且包含侦察天线、履带、负重轮、炮塔等特殊部件；基于数字高程地图和GIS数据，建立不同北方平原陆地表面的大尺度起伏模型；针对地表上方典型地貌(草地、裸土、沥青路面等)，建立不同季节、不同地域、不同分布陆地背景的几何模型；

(2)地面装备雷达散射特性建模研究。

分别在L、S、C、X波段下，开展地面装备雷达散射特性建模研究，实现对L、S、C、X波段下坦克目标雷达散射特性的建模；

(3)复杂陆地环境电磁散射建模。

在实际同一大区域地形表面同时包含草地、裸土、沥青路面等多种地貌，充分考虑各种地貌间的遮挡效应和相互耦合作用，建立包含两种不同类型和三种不同类型地貌的大区域地形表面电磁散射模型；

(4)复杂背景中地面装备雷达目标的电磁散射建模。

分别在L、S、C、X波段下，开展复杂陆地背景下T-90坦克的复合电磁散射特性及耦合散射机理研究，重点分析雷达参数(波段、入射角、极化方式、分辨率等)、陆地表面参数(高度起伏、组分、含水量、植被分布稀疏程度等)、目标参数(位置、朝向等)对陆地环境与军事目标之间耦合作用的影响，获取复合模型的单/双站雷达散射截面(RCS)、一维高分辨距离像；

(5)模型校验及置信度评价。

将本申请所得理论仿真结果与甲方单位测量结果进行对比，验证算法的有效性。对修正过的仿真算法进行综合集成，形成复杂陆地背景中地面装备目标仿真数据包。仿真数据包主要包含输入模块、显示模块、仿真计算模块、输出模块。

技术指标

(1)模拟背景：地形为北方平原，地貌包括草地、裸土、沥青路面；

(2)模拟波段：入射波段覆盖L、S、C、X波段；

(3)极化方式：VV、HH、VH、HV极化；

(4)俯仰角：0°～90°，角度间隔不大于5°；方位角:0°～360°,角度间隔不大于5°；

(5)获取雷达特性：单/双站RCS(扫频、扫角方式)，一维高分辨距离像X波段:分辨率优于0.3米，L波段：分辨率优于1米；

(6)仿真精度：RCS平均误差小于4dB(以角反射器等标准体作为测试对象)；

(7)提出的复杂背景中地面装备复合散射算法模型科学、高效；

(8)工作环境：Win7系统。

本申请以坦克等地面装备在复杂陆地背景中的雷达探测、识别为需求，开展复杂背景下地面装备的雷达散射特性建模与仿真等研究。结合数字高程地图、GIS系统及计算机辅助设计等建立复杂陆地战场环境及地面装备雷达目标精细几何模型，突破含多地貌复杂背景电磁散射建模及陆地背景与装备复合散射建模等关键技术，提出高效、快速的复合电磁散射仿真方法，建立复杂背景中地面装备雷达目标的电磁散射理论模型，并结合计算机并行加速技术，快速获取L、S、C、X波段下T-90主战坦克与复杂陆地环境复合电磁散射的单、双站RCS、一维高分辨距离像等雷达特征信号，为实际复杂背景中地面装备雷达目标的探测、识别、隐身与反隐身、精确打击等提供理论依据和技术支撑，具体如图2所示。

技术路线

复杂陆地环境精细几何建模：

(1)采用线性滤波方法，建立不同组分、不同颗粒大小的实际裸土表面几何模型；并建立包含面层、基层、底基层、路基等的分层沥青路面几何模型。

(2)针对草地叶子和茎无明显分界线及茎尺寸较小的情况，对MIMICS模型进行修正，建立不同季节、不同地域、不同针叶大小、不同分布的双层草地几何模型。

(3)结合已建立的裸土、草地、沥青路面几何模型，基于加权反正切函数，对不同地貌边界处进行平滑处理，建立含两种不同类型(裸土+沥青路面或裸土+草地)和三种不同类型(裸土+草地+沥青路面)地貌复杂陆地背景几何模型。

地面装备雷达目标精细几何建模及电磁散射建模：

(1)目标的几何建模是目标电磁散射计算的基础，本申请利用商用建模软件(FEKO、3DSMAX、犀牛等)，建立T-90主战坦克的几何建模，并对目标中的特殊部件(侦察天线、履带、负重轮、炮塔等)进行精细几何建模。

(2)采用不同的电磁散射计算方法需对目标以不同的方式进行剖分。针对雷达工作频段和拟采用的电磁散射计算方法，运用三角平面元、NURBS曲面剖分技术建立考虑精细结构的实际装甲类目标的剖分模型。

(3)基于分区思想和计算机并行加速技术，开展高效分区FMM算法研究，实现对L波段下坦克目标电磁散射特性的仿真；针对S、C波段下目标电尺寸和未知量个数过大，造成数值方法无法满足仿真内存和仿真时间需求的问题，开展PO-FMM混合算法研究，实现S、C波段下地面目标电磁散射仿真。PO-FMM方法中，FMM主要用于求解目标上特殊部件(如天线、炮塔等)表面的感应电流，而PO则用于求解除特殊部件外其余部分的散射特性，二者之间的耦合作用通过多路径思想和迭代原理进行求解；X波段下拟采用SBR方法对T-90坦克目标进行电磁散射建模。

复杂陆地背景电磁散射特性建模

(1)土壤由空气、固态土壤、束缚水和自由水四种物质混合而成，依据J.R.Wang和T.Schumugge提出的四成分模型，建立土壤的等效介电参数模型，并分析入射波频率、土壤成分、温度和湿度等参量对土壤介电参数的影响。将典型草地看做由束缚水、自由水、叶片等组成的混合体，并考虑冠层中空气所占比例，利用F.T.Ulaby提出的双弥散模型建立植被的等效介电参数模型；沥青路面由骨料、沥青、空气组成，根据等效介质理论，采用修正线性模型建立分层沥青路面的等效介电常数模型。

(2)草地中冠层属于体目标，本申请拟基于矢量辐射传输理论(VRT)研究植被中冠层与电磁波的相互作用，建立入射波-冠层-散射场之间的一一对应关系。依据体—面复合散射理论，采用物理光学法计算地面层对雷达照射波的直接感应电磁流，利用惠更斯原理和等效原理分析各层间的相互耦合作用，建立草地的电磁散射模型。

(3)针对裸土地面起伏小、分层等的特点，基于随机介质中的波传播与散射理论，拟采用小斜率近似方法研究微起伏裸土的电磁散射特性。分析雷达参数、地面参数等对雷达回波信号的影响。

(4)针对沥青路面，起伏小、分层的特点，基于随机介质中的波传播与散射理论，拟采用微扰法其电磁散射特性。分析雷达参数、路面参数等对雷达回波信号的影响。

(5)实际雷达波束照射范围内可能同时包含两种(裸土+草地、沥青路面+裸土)或三种地貌(沥青路面+裸土+草地)。针对该情况，本申请拟采用射线追踪法(RT)结合区域分解技术对包含多种地貌的大区域复杂陆地背景的电磁散射进行求解。其中同一地貌为一个区域，该区域电磁散射采用上述(2)-(4)中算法进行计算，各区域之间的耦合作用、多径效应作用，采用RT进行求解。

复杂背景中地面装备的雷达散射特性建模和仿真

(1)将利用线性滤波法模拟生成的二维粗糙地面转换成网格(STL格式)，通过商业软件(如犀牛等)中的逆向工程插件对STL格式的二维粗糙地面转化为非有理B样条描述的粗糙曲面；并将非有理B样条描述的粗糙曲面和目标模型进行布尔运算获取复杂背景与地面装备目标一体化几何模型。

(2)本申请拟利用电磁场高低频混合算法KA-FMM对L波段下复杂陆地表面上方T-90主战坦克的复合电磁散射进行建模仿真。混合算法中KA主要用于对复杂背景电磁散射进行仿真，FMM主要用于目标表面感应电流的模拟，二者之间的耦合作用通过迭代策略进行求解。

(3)基于互易性定理、多路径模型及迭代策略研究IPO方法，并结合区域分解技术(DDM)、局部耦合技术、快速远场近似技术(FaFFA)等对S、C波段下复杂陆地背景中T-90主战坦克的复合电磁散射模型进行求解。

(4)基于射线寻迹思想，采用RT+PO+PTD的多重混合算法求解X波段下大尺度复杂陆地背景与电大尺寸T-90主战坦克的复合电磁散射问题,并利用八叉树、二叉树等树状数据结构有效减少射线和面元的求交次数，提高射线寻迹效率。同时结合CPU并行加速技术与GPU加速技术从计算机硬件上进行加速。CPU并行通过任务粒度的确定、负载平衡、数据通信的控制以及并行步骤的规划实现对并行算法的进一步优化；GPU并行通过异步传输技术隐藏数据传输时间、共享存储器加快数据存取时间等进一步优化。

复杂背景中地面装备的雷达散射模型校验

(1)与实测数据对比：申请组拟与甲方合作开展目标(坦克、角反射器等标准体)电磁散射测量、复杂陆地背景电磁散射测量及复杂陆地背景下目标复合电磁散射测量实验，上述算法的有效性可通过与实测数据对比来验证。但该实验具有一定滞后性，在实验结果未出之前申请组拟通过与并行FMM算法结果对比两方面开展校验工作。

(2)与并行FMM算法结果对比：分别利用并行FMM算法及上述算法对相同雷达参数、目标参数、陆地背景参数下的目标单双站RCS、陆地背景RCS、复合RCS进行求解，并相互对比验证。

(4)仿真精度：RCS平均误差小于4dB。

复杂背景中地面装备目标仿真数据包及雷达特征分析

(1)对修正过的仿真算法进行综合集成，形成复杂陆地背景中地面装备目标仿真数据包。仿真数据包主要包含输入模块、显示模块、仿真计算模块、输出模块。

(2)基于上述仿真数据包获取T-90坦克、单一地貌陆地背景、考虑多种(两种、三种)地貌陆地背景及复杂陆地背景与T-90坦克的单/双站RCS、一维高分辨距离像等雷达特征信号。分析雷达参数(波段、入射角、分辨率、极化方式等)、陆地背景参数(地貌种类、高度起伏、组分、含水量、植被分布稀疏程度等)、目标参数(位置、朝向等)对单/双站RCS、一维高分辨距离像的影响。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种复杂陆地环境与装备的耦合电磁散射特性建模仿真方法，其特征在于，具体步骤包括：

S1：对复杂陆地环境进行精细几何建模；

S2：对地面装备的雷达目标进行精细几何建模；

S3：对所述复杂陆地环境进行电磁散射特性建模；

S4：对所述地面装备的雷达目标进行电磁散射特性建模和仿真；

根据上述步骤完成复杂陆地环境的地面装备的雷达目标电磁散射特性仿真和建模。

2.根据权利要求1所述的复杂陆地环境与装备的耦合电磁散射特性建模仿真方法，其特征在于，所述对复杂陆地环境进行精细几何建模，具体步骤包括：

S11：采用线性滤波方法，建立不同组分、不同颗粒大小的实际裸土表面的土地几何模型；

S12：采用线性滤波方法，建立包含面层、基层、底基层、路基的分层沥青路面的路面几何模型；

S13：针对草地叶子和茎无明显分界线及茎尺寸较小的情况，对现有植被MIMICS模型进行修正，建立不同季节、不同地域、不同针叶大小、不同分布的双层草地几何模型。

S14：结合已建立的土地几何模型、路面几何模型、草地几何模型，基于加权反正切函数，对所述以上三种不同地貌边界处进行平滑处理，完成建立至少含所述以上两种及以上不同类型地貌的复杂陆地环境几何模型。

3.根据权利要求2所述的复杂陆地环境与装备的耦合电磁散射特性建模仿真方法，其特征在于，所述对地面装备的雷达目标进行精细几何建模，具体步骤包括：

S21：建立地面装备的几何建模，并对地面装备的零部件进行精细几何建模。

S22：采用不同的电磁散射计算方法对地面装备以不同的方式进行剖分，针对雷达工作频段和拟采用的电磁散射计算方法，运用三角平面元、NURBS曲面剖分技术建立地面装备精细结构的剖分模型。

S23：基于分区思想和计算机并行加速技术意见高效分区FMM算法，实现对L波段下地面装备的电磁散射特性的仿真；采用PO-FMM混合算法研究，实现S、C波段下地面装备的电磁散射仿真，通过PO-FMM方法中FMM用于求解地面装备的零部件表面的感应电流，利用PO求解除特殊部件外其余部分的散射特性，二者之间的耦合作用通过多路径思想和迭代原理进行求解；X波段下采用SBR方法对地面装备进行电磁散射建模。

4.根据权利要求3所述的复杂陆地环境与装备的耦合电磁散射特性建模仿真方法，其特征在于，对所述复杂陆地环境进行电磁散射特性建模，具体步骤包括：

S31：根据四成分模型，建立土壤的等效介电参数模型，并分析入射波频率、土壤成分、温度和湿度参量对土壤介电参数的影响，将典型草地看做由束缚水、自由水、叶片等组成的混合体，并考虑冠层中空气所占比例，利用双弥散模型建立植被的等效介电参数模型；沥青路面由骨料、沥青、空气组成，根据等效介质理论，采用修正线性模型建立分层沥青路面的等效介电常数模型。

S32：基于矢量辐射传输理论(VRT)研究植被中冠层与电磁波的相互作用，建立入射波-冠层-散射场之间的一一对应关系，依据体—面复合散射理论，采用物理光学法计算地面层对雷达照射波的直接感应电磁流，利用惠更斯原理和等效原理分析各层间的相互耦合作用，建立草地的电磁散射模型；

S33：针对裸土地面起伏小、分层的特点，基于随机介质中的波传播与散射理论，采用小斜率近似方法研究微起伏裸土的电磁散射特性，分析雷达参数、地面参数对雷达回波信号的影响；

S34：针对沥青路面，起伏小、分层的特点，基于随机介质中的波传播与散射理论，采用微扰法其电磁散射特性，分析雷达参数、路面参数等对雷达回波信号的影响。

S35：针对雷达波束照射范围内同时包含所述土地几何模型、路面几何模型、草地几何模型的两种或者三种的情况，采用射线追踪法(RT)结合区域分解技术对包含多种地貌的大区域复杂陆地背景的电磁散射进行求解，其中同一地貌为一个区域，该区域电磁散射采用上述S32-S344中算法进行计算，各区域之间的耦合作用、多径效应作用，采用RT进行求解。

5.根据权利要求4所述的复杂陆地环境与装备的耦合电磁散射特性建模仿真方法，其特征在于，对所述地面装备的雷达目标进行电磁散射特性建模和仿真，具体步骤包括：

S41：将利用线性滤波法模拟生成的二维粗糙地面转换成网格格式为STL格式，通过商业软件中的逆向工程插件对STL格式的二维粗糙地面转化为非有理B样条描述的粗糙曲面；并将非有理B样条描述的粗糙曲面和地面装备的模型进行布尔运算获取复杂环境与地面装备目标一体化几何模型。

S42：利用电磁场高低频混合算法KA-FMM对L波段下复杂陆地环境中的地面装备复合电磁散射进行建模仿真，混合算法中KA主要用于对复杂环境电磁散射进行仿真，FMM用于目标表面感应电流的模拟，二者之间的耦合作用通过迭代策略进行求解。

S43：基于互易性定理、多路径模型及迭代策略研究IPO方法，并结合区域分解技术、局部耦合技术、快速远场近似技术对S、C波段下复杂陆地背景中地面装备的复合电磁散射模型进行求解。

S44：采用RT+PO+PTD的多重混合算法求解X波段下大尺度复杂陆地环境与地面装备的复合电磁散射，并利用八叉树、二叉树等树状数据结构有效减少射线和面元的求交次数，提高射线寻迹效率，同时结合CPU并行加速技术与GPU加速技术从计算机硬件上进行加速，CPU并行通过任务粒度的确定、负载平衡、数据通信的控制以及并行步骤的规划实现对并行算法的进一步优化；GPU并行通过异步传输技术隐藏数据传输时间、共享存储器加快数据存取时间等进一步优化。

6.根据权利要求5所述的复杂陆地环境与装备的耦合电磁散射特性建模仿真方法，其特征在于，还包括如下步骤：

S5：对复杂陆地环境中的地面装备的雷达目标散射特性建模和仿真的模型进行校验；

S6：对所述校验后的复杂陆地环境中的地面装备的目标散射特性建模和仿真的模型的特征进行分析并完成。

7.根据权利要求6所述的复杂陆地环境与装备的耦合电磁散射特性建模仿真方法，其特征在于，所述对复杂陆地环境中的地面装备的雷达目标散射特性建模和仿真的模型进行校验，具体步骤包括：

S51：与实测数据对比:采用电磁散射测量、复杂陆地环境电磁散射测量及复杂陆地环境下的地面装备复合电磁散射测量实验，上述算法的有效性通过与实测数据对比来验证，在实验结果未出之前，通过与并行FMM算法结果对比两方面开展校验。

S52：所述与并行FMM算法结果对比：分别利用并行FMM算法及上述算法对相同雷达参数、目标参数、陆地背景参数下的目标单双站RCS、陆地环境RCS、复合RCS进行求解，并相互对比验证。

8.根据权利要求7所述的复杂陆地环境与装备的耦合电磁散射特性建模仿真方法，其特征在于，还包括如下步骤：

S61：对修正过的仿真算法进行综合集成，形成复杂陆地环境中地面装备仿真数据包，仿真数据包包含输入模块、显示模块、仿真计算模块、输出模块；

S62：基于上述仿真数据包获取地面装备、单一地貌陆地环境、复杂陆地背景与一维高分辨距离像雷达特征信号，分析雷达参数、陆地背景参数、目标参数对单/双站RCS、一维高分辨距离像的影响。

9.根据权利要求2所述的复杂陆地环境与装备的耦合电磁散射特性建模仿真方法，其特征在于，所述结合已建立的土地几何模型、路面几何模型、草地几何模型，基于加权反正切函数，对所述以上三种不同地貌边界处进行平滑处理，具体还包括：针对草地叶子和茎无明显分界线及茎尺寸较小的情况，对所述草地几何模型进行修正。

10.根据权利要求7所述的复杂陆地环境与装备的耦合电磁散射特性建模仿真方法，其特征在于，所述对复杂陆地环境中的地面装备的雷达目标散射特性建模和仿真的模型进行校验，具体还包括：仿真精度的RCS平均误差小于4dB。

Images