CN114089336B - 一种复杂起伏场景的自适应分区方法及雷达回波仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种复杂起伏场景的自适应分区方法及雷达回波仿真方法。采用包围球方法将复杂起伏场景分割为目标区域和背景环境区域；从复杂起伏场景划分出孤立起伏背景环境区，再根据背景环境区域类型决定如何划分为至少两个第一或第二子区域，之后将所有划分出来的区域用于雷达回波仿真计算，以得到复杂起伏场景的回波数据或回波图像。本发明将大规模场景自适应的划分成许多小的场景模型，减少仿真计算时的面元数，提高程序的并行度，有效解决了目标‑背景复合区的精确计算和大场景背景杂波的快速高效计算难题。
Description
技术领域
本发明涉及电磁建模场景仿真技术领域，尤其涉及一种复杂起伏场景的自适应分区方法及雷达回波仿真方法。
背景技术
合成孔径雷达(SAR)具有全天时、全天候的特点，在遥感侦查、精确打击、地理测绘等军事和民用领域都得到了广泛的应用。SAR系统的参数设计、信号处理算法、目标识别应用等方面，都需要大量的雷达回波数据，且该数据应当符合特定的参量要求。外场雷达试飞是获取雷达回波数据最为直接和重要的手段，也即使用雷达测试真实目标和场景。然而，实际应用中外场雷达试飞又面临诸多现实的困难，主要体现在：试飞试验需要消耗大量的财力、人力、物力，且大幅增加了系统研制时间；对于特定的目标和场景，特别是对于非合作的军事目标和场景难以开展测量试验；有限的试验难以确保回波数据的完备性，如目标的全姿态、全方位，场景和目标的多样性等。
近些年来计算机仿真技术飞速发展，采用计算机模拟SAR雷达探测场景的雷达回波建模技术发展日趋成熟。雷达回波仿真技术是基于电磁波与目标和环境的作用机理，利用数学建模的方法模拟目标与环境雷达回波的技术，常用于检验雷达系统性能、检验各种成像算法并分析基于不同模型的算法的有效性。雷达回波仿真建模技术克服了雷达试飞试验的缺点，具有投资少、周期短、灵活多变的特点，不仅是雷达系统设计中雷达回波数据获取的一种切实可行的途径，也是深入挖掘雷达回波内在机理和规律必不可少的研究手段。因此研究目标和场景雷达回波建模技术重要的理论意义和应用价值。
雷达回波建模的一般流程包括：场景物理特性建模、场景电磁散射特性建模、传感器建模三部分。场景物理特性建模描述场景中目标、背景等外形和基础物理参数；场景电磁散射建模揭示了电磁波与场景中目标和环境的作用机理和规律；传感器建模反映了雷达系统的工作原理和过程。其中，场景电磁散射建模是雷达回波建模的核心和基础，典型的战场场景(如机场、港口等)具有尺寸规模大、背景与目标种类多、耦合关系复杂等特点，雷达回波建模时需分别考虑目标、背景杂波以及目标与背景之间的耦合等电磁散射特性。
以物理光学法(Physical Optics,PO)、物理绕射理论(Physical Theory ofDiffraction,PTD)、射线弹跳法(Shooting and Bouncing Ray,SBR) 等为代表的高频渐近方法在电大复杂目标、大规模场景散射特性计算等方面表现出明显的优势，如计算效率高，内存开销极低，对计算机仿真硬件要求低，物理机理解释清晰，易于散射机理分析等。有关高频方法的研究在理论上已较为成熟，但在大场景回波建模应用中，仍存在计算精度和资源开销的矛盾，主要体现在：场景尺寸大(数百平方公里)，目标结构复杂，目标、背景以及目标与背景之间相互耦合关系复杂等。
如何解决复杂目标的精细计算和大场景的快速计算是制约场景回波建模技术应用工程化、通用化的瓶颈问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中的缺陷，提供一种复杂起伏场景的自适应分区方法及雷达回波仿真方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种复杂起伏场景的自适应分区方法，包括：
步骤一、根据包围球方法将复杂起伏场景分割为目标区域和背景环境区域；其中，所述目标区域包括目标、目标阴影和耦合区域；
步骤二、若所述背景环境区域是孤立起伏场景，则从所述复杂起伏场景划分出孤立起伏背景环境区，在余下背景环境区域是平坦环境时，将所述背景环境区域采用均匀分割的方式划分为至少两个第一子区域，并在区域边界与所述孤立起伏背景环境区相交时，调整分割线使所述孤立起伏背景环境区全部处于一个所述第一子区域内；
步骤三、若所述背景环境区域是连续性起伏场景，则将所述复杂起伏场景采用均匀分割的方式划分为至少两个第二子区域，并在区域边界与所述目标区域相交时，调整分割线使所述目标区域全部处于一个所述第二子区域内；对各个所述第二子区域进行区域延拓处理，使相邻的所述第二子区域存在交叠网格，并在所述交叠网格与所述目标区域相交时，使相邻的所述第二子区域内均包含完整的所述目标区域；
其中，所述目标区域、所述孤立起伏背景区域、所述第一子区域和所述第二子区域用于雷达回波仿真计算，以得到所述复杂起伏场景的回波数据或回波图像。
可选地，所述步骤一包括：
(1)求出复杂起伏场景中目标的目标包围盒；
(2)在所述复杂起伏场景的地面上找出发射射线与所述目标包围盒产生的阴影边界；
(3)选出所述阴影边界与目标的几何中心的最远距离，以该最远距离为半径、目标的几何中心为球心计算目标包围球；
(4)将所述目标包围球与所述复杂起伏场景的地面相交的圆形区域从复杂起伏场景中分割出来作为目标区域。
可选地，所述步骤二包括：
(1)通过射线追踪所述背景环境区域中的孤立起伏及其阴影位置，求出所述背景环境区域中所述孤立起伏的起伏包围盒，选出所述阴影位置与所述起伏包围盒在所述背景环境区域的地面上各顶点距离最远的线段，以该线段为直径、该线段中心为圆心计算起伏包围球；
(2)在余下背景环境区域是平坦环境时，将所述背景环境区域均匀划分为至少两个第一子区域；
(3)对所述第一子区域的边界网格处进行射线求解计算，判断区域边界是否与所述起伏包围球相交，并在相交时将与所述起伏包围球相交的最大的所述第一子区域向被切割的方向边界进行延拓，以使所述起伏包围球全部处于一个所述第一子区域内。
可选地，所述步骤三包括：
(1)采用规则分割的方式将所述复杂起伏场景均匀分割为至少两个第二子区域，当所述目标区域被分割时，将包含所述目标区域最多的所述第二子区域向被切割方向拓展直至将所述目标区域完整包含；
(2)将各个所述第二子区域向被切割的方向进行区域延拓，以使所述第二子区域将具有强散射机理的地形完整包含，当延拓至所述目标区域时，则继续延拓至将所述目标区域完整包含。
为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种复杂起伏场景的自适应分区装置，包括：
分割模块，用于根据包围球方法将复杂起伏场景分割为目标区域和背景环境区域；其中，所述目标区域包括目标、目标阴影和耦合区域；
第一划分模块，用于在所述背景环境区域是孤立起伏场景时，从所述复杂起伏场景划分出孤立起伏背景环境区，在余下背景环境区域是平坦环境时，将所述背景环境区域采用均匀分割的方式划分为至少两个第一子区域，并在区域边界与所述孤立起伏背景环境区相交时，调整分割线使所述孤立起伏背景环境区全部处于一个所述第一子区域内；
第二划分模块，用于在所述背景环境区域是连续性起伏场景时，将所述复杂起伏场景采用均匀分割的方式划分为至少两个第二子区域，并在区域边界与所述目标区域相交时，调整分割线使所述目标区域全部处于一个所述第二子区域内；对各个所述第二子区域进行区域延拓处理，使相邻的所述第二子区域存在交叠网格，并在所述交叠网格与所述目标区域相交时，使相邻的所述第二子区域内均包含完整的所述目标区域；
其中，所述目标区域、所述孤立起伏背景区域、所述第一子区域和所述第二子区域用于雷达回波仿真计算，以得到所述复杂起伏场景的回波数据或回波图像。
可选地，所述分割模块具体用于：
(1)求出复杂起伏场景中目标的目标包围盒；
(2)在所述复杂起伏场景的地面上找出发射射线与所述目标包围盒产生的阴影边界；
(3)选出所述阴影边界与目标的几何中心的最远距离，以该最远距离为半径、目标的几何中心为球心计算目标包围球；
(4)将所述目标包围球与所述复杂起伏场景的地面相交的圆形区域从复杂起伏场景中分割出来作为目标区域。
可选地，所述第一划分模块具体用于：
(1)通过射线追踪所述背景环境区域中的孤立起伏及其阴影位置，求出所述背景环境区域中所述孤立起伏的起伏包围盒，选出所述阴影位置与所述起伏包围盒在所述背景环境区域的地面上各顶点距离最远的线段，以该线段为直径、该线段中心为圆心计算起伏包围球；
(2)在余下背景环境区域是平坦环境时，将所述背景环境区域均匀划分为至少两个第一子区域；
(3)对所述第一子区域的边界网格处进行射线求解计算，判断区域边界是否与所述起伏包围球相交，并在相交时将与所述起伏包围球相交的最大的所述第一子区域向被切割的方向边界进行延拓，以使所述起伏包围球全部处于一个所述第一子区域内。
可选地，所述第二划分模块具体用于：
(1)采用规则分割的方式将所述复杂起伏场景均匀分割为至少两个第二子区域，当所述目标区域被分割时，将包含所述目标区域最多的所述第二子区域向被切割方向拓展直至将所述目标区域完整包含；
(2)将各个所述第二子区域向被切割的方向进行区域延拓，以使所述第二子区域将具有强散射机理的地形完整包含，当延拓至所述目标区域时，则继续延拓至将所述目标区域完整包含。
为了解决上述技术问题，本发明又提供了一种雷达回波仿真方法，包括：
雷达回波仿真方法，其特征在于，包括：
设定SAR回波仿真参数；
建立雷达仿真场景几何模型；
采用本发明的一种复杂起伏场景的自适应分区方法对所述雷达仿真场景几何模型进行预处理，得到第一子区域和目标区域或第二子区域，对所述第一子区域和所述目标区域或所述第二子区域进行雷达回波仿真计算，至此建立完整的电磁散射模型；其中，所述电磁散射模型包括目标电磁散射模型、环境电磁散射模型以及目标与环境间的耦合电磁散射模型；
基于所述电磁散射模型计算复杂起伏场景的扫频数据；
基于所述扫频数据得到复杂起伏场景的回波数据或回波图像。
为了解决上述技术问题，本发明又提供了一种雷达回波仿真装置，包括：
设定模块，用于设定SAR回波仿真参数；
建立模块，用于建立雷达仿真场景几何模型；
预处理模块，用于采用本发明的一种复杂起伏场景的自适应分区方法对所述雷达仿真场景几何模型进行预处理，得到第一子区域和目标区域或第二子区域，对所述第一子区域和所述目标区域或所述第二子区域进行雷达回波仿真计算，至此建立完整的电磁散射模型；其中，所述电磁散射模型包括目标电磁散射模型、环境电磁散射模型以及目标与环境间的耦合电磁散射模型；
计算模块，用于基于所述电磁散射模型计算复杂起伏场景的扫频数据；
仿真模块，用于基于所述扫频数据得到复杂起伏场景的回波数据或回波图像。
为了解决上述技术问题，本发明另提供了一种复杂起伏场景的自适应分区终端。
本发明的一种复杂起伏场景的自适应分区终端包括：一个或多个处理器；存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现本发明的一种复杂起伏场景的自适应分区方法或本发明的一种雷达回波仿真方法。
为了解决上述技术问题，本发明另提供了一种计算机可读存储介质。
本发明的一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现本发明的一种复杂起伏场景的自适应分区方法或本发明的一种雷达回波仿真方法。
实施本发明的一种复杂起伏场景的自适应分区方法及雷达回波仿真方法，具有以下有益效果：在确保计算精度的同时，有效地降低内存消耗，提高算法并行度，为持续推动大规模场景雷达仿真系统的并行化设计开发提供理论与算法支撑。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种复杂起伏场景的自适应分区方法的示意图；
图2是雷达回波仿真流程图；
图3是本发明中包围球方法的流程图；
图4是本发明中包围球方法的示意图；
图5是目标包围盒的示意图；
图6是目标区域分解后的示意图；
图7是独立起伏背景环境区域分解流程图；
图8是机场场景示意图；
图9(a)是环境起伏包围盒示意图；
图9(b)是环境起伏区域“包围球”法区域标记示意图；
图10是背景环境区域整体均匀划分示意图；
图11是机场场景的背景环境区域划分自适应扩展分解结果；
图12是连续性起伏环境场景示意图；
图13是连续性起伏环境场景预处理流程图；
图14是连续性起伏环境场景规则划分示意图；
图15是各第二子区域延拓后示意图；
图16是多目标起伏环境场景示意图；
图17是多目标起伏环境场景区域分解后示意图；
图18(a)是直接计算的结果；
图18(b)是分区域计算的结果；
图19是本发明实施例提供的一种复杂起伏场景的自适应分区装置的主要模块的示意图；
图20是本发明实施例提供的一种雷达回波仿真装置的主要模块的示意图；
图21是本发明可以应用于其中的示例性系统架构图；
图22是适于用来实现本发明的终端设备或服务器的计算机系统的结构示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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。
针对大场景雷达回波仿真建模时存在的内存消耗和计算耗时巨大的问题，针对复杂起伏场景网格模型，特别是平坦网格场景，本发明的一种复杂起伏场景的自适应分区方法及雷达回波仿真方法，采用了适用于并行加速的大场景自适应区域分解预处理算法，将大规模场景自适应的划分成许多小的场景模型，减少仿真计算时的面元数，提高程序的并行度，有效解决了目标-背景复合区的精确计算和大场景背景杂波的快速高效计算难题。
大场景自适应区域分解预处理算法主要有以下几部分：
1、首先需考虑将目标区域单独划分，将目标区域与背景环境区域分离，以便于之后单独考虑环境的区域分解。在区域分解时首先需要保证仿真结果的正确性，也即主要是目标仿真结果的正确性。在大场景雷达回波仿真计算中，目标会形成自己的阴影区域，在分解时该区域不能与目标分离，否则会影响仿真结果的正确性，而相对目标较远区域的环境对目标的耦合散射贡献非常小可以忽略不计。本发明提出一种基于目标包围盒的算法，将目标、目标阴影和耦合区域整体划分至同一区域，将之命名为“包围球方法”；
2、典型的孤立起伏场景，如机场中的停机库、大型油桶和指挥塔等建筑物，海面上的孤岛等。此类场景的一个显著特点是场景中大部分区域分布较为平坦，孤立的大型自然目标与其他军用目标、背景环境之间存在强的耦合关系，本发明采用上述包围球的思路，在场景中增加一个新的分区，即“孤立起伏背景环境区”，进行单独计算；
3、对于地势连续性起伏环境，如果继续使用之前的基于包围盒的方法，会由于包围盒区域过大导致整个场景几乎无法进行背景环境区域分解。如果目标存在于连续性起伏地形中，对目标单独划分将大概率导致电磁散射时出现错误，因此对在该种起伏环境中的目标不进行单独划分处理，而本发明提出一种子区域拓展的算法处理连续性起伏环境情况。
如图1所示，本发明实施例提供的一种复杂起伏场景的自适应分区方法，包括如下步骤：
步骤一、根据包围球方法将复杂起伏场景分割为目标区域和背景环境区域。在大场景雷达回波仿真计算中，目标会形成自己的阴影区域，在分割时该区域不能与目标分离，否则会影响仿真结果的正确性，而相对目标较远区域的环境对目标的耦合散射贡献非常小可以忽略不计，基于此本发明提出一种基于包围盒的算法，将目标、目标阴影和耦合区域整体划分至同一区域，将之命名为“包围球方法”。
在本发明实施例中，目标区域包括目标、目标阴影和耦合区域。
在将目标从复杂起伏场景中分割出来时，使目标的阴影区域也包括在内，同时使得目标周围有足够的背景环境区域，以计算环境对目标的耦合电磁散射贡献，保证最终仿真结果的正确性。作为一种优选的实施方式，步骤一可以采用以下方式实现：(1)求出复杂起伏场景中目标的目标包围盒；(2)在复杂起伏场景的地面上找出发射射线与目标包围盒产生的阴影边界；(3)选出阴影边界与目标的几何中心的最远距离，以最远距离为半径、目标的几何中心为球心计算目标包围球；(4)将目标包围球与复杂起伏场景的地面相交的圆形区域从复杂起伏场景中分割出来作为目标区域。
步骤二、若背景环境区域是孤立起伏场景，则从复杂起伏场景划分出孤立起伏背景环境区，在余下背景环境区域是平坦环境时，将背景环境区域采用均匀分割的方式划分为至少两个第一子区域，并在区域边界与孤立起伏背景环境区相交时，调整分割线使孤立起伏背景环境区全部处于一个第一子区域内。对于典型的孤立起伏场景，如机场中的停机库、大型油桶和指挥塔等建筑物，海面上的孤岛等，此类场景的一个显著特点是场景中大部分区域分布较为平坦，孤立的大型自然目标与其他军用目标、背景环境之间存在强的耦合关系，借用上述包围盒的思路，在场景中增加一个新的分区，即孤立起伏背景环境区，将孤立起伏及其阴影的位置标记以便后续处理。
作为一种优选的实施方式，步骤二可以采用以下方式实现：(1) 通过射线追踪背景环境区域中的孤立起伏及其阴影位置，求出背景环境区域中孤立起伏的起伏包围盒，选出阴影位置与起伏包围盒在背景环境区域的地面上各顶点距离最远的线段，以该线段为直径、该线段中心为圆心计算起伏包围球；(2)将背景环境区域均匀划分为至少两个第一子区域；(3)对第一子区域的边界网格处进行射线求解计算，判断区域边界是否与起伏包围球相交，并在相交时将与起伏包围球相交的最大的第一子区域向被切割的方向边界进行延拓，以使起伏包围球全部处于一个第一子区域内。
步骤三、若背景环境区域是连续性起伏场景，则将复杂起伏场景采用均匀分割的方式划分为至少两个第二子区域，并在区域边界与目标区域相交时，调整分割线使目标区域全部处于一个第二子区域内；对各个第二子区域进行区域延拓处理，使相邻的第二子区域存在交叠网格，并在交叠网格与目标区域相交时，使相邻的第二子区域内均包含完整的目标区域。对于连续性起伏场景，如果继续使用之前的基于包围盒的算法，会由于包围盒区域过大导致整个场景几乎无法进行背景环境区域分解，如果目标存在于连续性起伏地形中，对目标单独划分将大概率导致电磁散射时出现错误，因此对这种场景中的目标不进行单独划分处理，而是直接进行分割。
本发明提出一种子区域拓展的算法处理存在连续性起伏环境情况的复杂起伏场景。作为一种优选的实施方式，步骤三可以采用以下方式实现：(1)采用规则分割的方式将复杂起伏场景均匀分割为至少两个第二子区域，当目标区域被分割时，将包含目标区域最多的第二子区域向被切割方向拓展直至将目标区域完整包含；(2)将各个第二子区域向被切割的方向进行区域延拓，以使第二子区域将具有强散射机理的地形完整包含，当延拓至目标区域时，则继续延拓至将目标区域完整包含。
通过上述步骤得到的目标区域、孤立起伏背景区域、第一子区域和第二子区域，能够用于雷达回波仿真计算，以得到复杂起伏场景的回波数据或回波图像。需要注意的是，在计算时，通过交叠网格可以计算出网格之间的遮挡和耦合关系，但不参与电磁特性的计算，这样每个第二子区域增加少量的网格数即可完成第二子区域之间遮挡和耦合关系计算，同时不显著增加计算量。
基于上述的一种复杂起伏场景的自适应分区方法，本发明还提供了一种雷达回波仿真方法，如图2所示，包括：
设定SAR回波仿真参数(即雷达系统参数)，以完成传感器建模；
建立雷达仿真场景几何模型(即场景几何模型)，以完成场景物理特性建模，雷达仿真场景几何模型用于描述目标、环境与雷达的空间几何关系，为之后电磁散射计算打下基础；
采用本发明的一种复杂起伏场景的自适应分区方法对雷达仿真场景几何模型进行预处理，得到第一子区域、目标区域、第二子区域等小区域，对目标区域、孤立起伏背景区域、第一子区域和第二子区域进行雷达回波仿真计算，至此建立完整的电磁散射模型；该电磁散射模型(即场景电磁散射模型)用于描述电磁波与场景的电磁作用机理，电磁散射模型包括目标电磁散射模型、环境电磁散射模型以及目标与环境间的耦合电磁散射模型；
基于电磁散射模型计算复杂起伏场景的扫频数据；
基于扫频数据得到复杂起伏场景的回波数据或回波图像。可以通过时频变换等方法将扫频数据得到复杂起伏场景的回波数据或回波图像。
在应用本发明实施例的复杂起伏场景的自适应分区方法时，可参考以下具体实施方式。
如图3和4所示，包围球方法的具体步骤如下：
(1)求出目标(图中球体)的包围盒(图中示为虚线立方体)；
(2)在地面上找到发射射线与包围盒产生的阴影边界；
(3)找到此阴影区(即目标阴影)中与目标几何中心最远的距离作为半径，并以此作为半径、以目标几何中心做球(指几何中心在地面上的投影点)计算目标包围球(图中示为虚线圆形)；
(4)取目标包围球与地面相交的圆形区域(图中示为点划线)内的目标和场景，即可将目标从场景中分割出来，并使得目标的阴影区域包括在内，同时使得目标周围有足够的背景环境区域，以计算环境对目标的耦合电磁散射贡献，保证最终仿真结果的正确性。
以下是上述步骤(1)、(2)中求目标包围盒和目标阴影的具体方法。求出目标包围盒，即找到目标坐标点中的所有x、y、z坐标最大值和最小值，作为包围盒的两个顶点，由这两个顶点可以组成一个长方体包围盒，把目标包围在里面，例如图5所示。雷达回波仿真时会模拟飞机上携带雷达传感器，仿真时的雷达传感器的位置坐标可以在接收程序中得到，对每个雷达传感器位置坐标与包围盒各顶点做连线并投影在地面上，找到与地面的交点，假设航迹点的坐标为(x1,y1,z1)，包围盒某一顶点坐标为(x2,y2,z2)，利用空间直线公式：
并且已知连线投影到地面上的点z坐标为0，可以得到投影点x和 y的求解公式：
这样便可以得到投影点的坐标，最终得到一个新的坐标数组，从该数组中找到离目标中心在地面的投影点O距离最大的阴影半径r，然后以O点为圆心做出半径为r的与地面相交的圆，将此圆中的部分单独划分出来，这样就自动将场景划分为了目标区域与背景环境区域，例如图6所示。
如图7所示，包含孤立起伏场景的背景环境区域的分解预处理步骤如下：
(1)对环境中的起伏标定
通过射线追踪背景环境区域中的孤立起伏及其阴影位置，求出背景环境区域中孤立起伏的起伏包围盒，选出阴影位置与起伏包围盒在背景环境区域的地面上各顶点距离最远的线段，以该线段为直径、该线段中心为圆心计算起伏包围球；
(2)对环境区域均匀划分
将背景环境区域均匀划分为至少两个第一子区域；
(3)划分时是否切到标定区域
对第一子区域的边界网格处进行射线求解计算，判断区域边界是否与起伏包围球相交，若是，则将与起伏包围球相交的最大的第一子区域向被切割的方向边界进行延拓，以使起伏包围球全部处于一个第一子区域内，完成环境区域分解；若否，直接完成环境区域分解。
如图8所示带有多个建筑物的机场场景，场景中建筑物与飞机跑道的材质为水泥，其余为草地，为了简化计算过程，建筑物处理为光滑表面，不考虑窗户等细节。则背景环境区域的分解预处理的具体步骤可以参考如下：
(1)首先通过射线追踪找到环境中的孤立起伏及其阴影位置，采用上述的包围球方法对环境中的孤立起伏进行处理。所不同的是，目标区域划分时需要将环境划入的多一些，将包围球的中心选在目标中心且半径也较大，以保证各个方向电磁波照射时目标与环境多径耦合散射计算的正确性。孤立起伏的包围球不需要较多背景环境区域，只需将阴影位置与孤立起伏包围。将包围球方法中做包围球时的圆心和半径修改，找到阴影位置对应的阴影点数组中与起伏包围盒地面上各顶点距离最远的线段，以该线段为直径，该线段中心为圆心做包围球，起伏包围盒如图9(a)所示，最终孤立起伏背景环境区的示意图如9 (b)所示，图中圆圈即为标记区域，可以看到起伏包围球是最小限度包围起伏与阴影区，这样便将起伏和其阴影的位置标记以便后续处理。
(2)对背景环境区域整体进行均匀划分为几个第一子区域，如图10所示，对机场场景依据尺寸将场景分解为四个第一子区域。
(3)划分完后对分割的边界网格处进行射线求解计算，判断区域边界是否与标记区域(即起伏包围球)交叠，如果区域边界与标记区域相交，则将留存的标记区域中最大的第一子区域向被切割的方向边界进行延拓，直到标记区域全部包括在该第一子区域内。均匀划分时建筑的标记区域被分开，通过网格扩展后标记区域全部处于一个第一子区域内，最终该机场场景的背景环境区域分解结果如图11。
图12为某一连续性起伏场景，场景中褐色部分为土壤，灰色部分代表公路，材质为水泥地。则子区域拓展的算法如图13，具体实施过程如下：
(1)首先针对连续性起伏环境场景，依旧采用规则分割的方法将整个场景较均匀的分为几个第二子区域，如果切割到目标区域，则拥有目标区域较大部分的第二子区域向被切割方向拓展直到将目标区域全部包含。对场景进行规则划分后得到如图14所示的结果，可以看到将原场景均匀分解为4个第二子区域。
(2)对连续性起伏环境进行切割后会出现的错误集中在被切割区域，因为该地形中环境之间的散射贡献较强，在被切割区域外的一部分环境对该位置的散射贡献不能忽略，直接切割会导致外边的散射贡献消失，最终导致仿真结果错误，为了避免出现这种错误，将规则划分后的第二子区域向被各被切割的方向进行区域延拓，延拓较小的范围即可，只需将具有较强散射机理的地形包括，如果延拓时遇到目标区域，则需延拓到将目标区域包括。将规则划分好的各个第二子区域进行区域延拓处理后，得到结果示意图如图15所示。
(3)第二子区域进行区域延拓后，相邻第二子区域存在相同的交叠网格。在计算时，通过交叠网格可以计算出网格之间的遮挡和耦合关系，但不参与电磁特性的计算，这样每个区域增加少量的网格数即可完成区域之间遮挡和耦合关系计算，同时不显著增加计算量。
为了进一步阐述本发明的技术思想，现结合具体的应用场景，对本发明的技术方案进行说明。
使用带有多个建筑物(起伏)的机场场景为例，多目标起伏场景如图16所示，场景中有两个目标，一个球一个坦克，利用本发明方法完成自适应分区预处理后如图17，可分解为目标区和若干背景环境区。将分解后的子区域各自进行仿真计算，便可以降低仿真计算的内存与时间消耗。
按表1设定SAR回波仿真参数进行雷达回波仿真，分别使用直接计算及采用预处理方法后计算两种方法进行仿真，仿真结果如图18(a) 和18(b)所示，可见采用预处理方法后结果仍然准确。
表1
| 成像模式 | 聚束 | 中心频率 | 10GHz | 飞行高度 | 6000m |
| 航迹采样点数 | 1024 | 频率采样点数 | 1079 | 飞行速度 | 100m/s |
| 信号带宽 | 300MHz | 极化方式 | HH | PRF | 292Hz |
对两种计算方式的最大内存开销和总计算时间消耗进行统计，得到结果如表2，可以看到内存与时间消耗分别降低了36.28％与39.86％。区域分解有效降低内存消耗，但过多的区间数会增加区间分解的计算时间。实际工程仿真经验表面，当网格数在数十万以下时，总计算时间消耗相差不大，当场景尺寸非常大时，本发明方法将具有更高的优势。
表2
| 计算方式 | 最大计算内存开销(MB) | 总计算时间消耗(s) |
| 直接计算 | 185.8 | 8453 |
| 分区计算 | 118.4 | 5084 |
图19是根据本发明实施例提供的一种复杂起伏场景的自适应分区装置的主要模块的示意图。
如图19所示，本发明实施例的复杂起伏场景的自适应分区装置1900包括：分割模块1901、第一划分模块1902和第二划分模块1903。其中，分割模块1901、第一划分模块1902和第二划分模块1903的功能及特征可以参考前述实施例此处不再赘述。
图20是根据本发明实施例提供的一种雷达回波仿真装置的主要模块的示意图。
如图20所示，本发明实施例的雷达回波仿真装置2000包括：设定模块2001、建立模块2002、预处理模块2003、计算模块2004和仿真模块2005。其中，设定模块2001、建立模块2002、预处理模块2003、计算模块2004和仿真模块2005的功能及特征可以参考前述实施例此处不再赘述。
图21示出了可以应用本发明的一种复杂起伏场景的自适应分区方法、一种复杂起伏场景的自适应分区装置、一种雷达回波仿真方法或一种雷达回波仿真装置的示例性系统架构2100。
如图21所示，系统架构2100可以包括终端设备2101、2102、2103，网络2104和服务器2105。网络2104用以在终端设备2101、2102、2103 和服务器2105之间提供通信链路的介质。网络2104可以包括各种连接类型，例如有线、无线通信链路或者光纤电缆等等。
用户可以使用终端设备2101、2102、2103通过网络2104与服务器2105交互，以接收或发送消息等。终端设备2101、2102、2103上可以安装有各种通讯客户端应用。
终端设备2101、2102、2103可以是具有显示屏并且支持网页浏览的各种电子设备，包括但不限于智能手机、平板电脑、膝上型便携计算机和台式计算机等等。
服务器2105可以是提供各种服务的服务器，例如对用户利用终端设备2101、2102、2103所浏览的购物类网站提供支持的后台管理服务器。后台管理服务器可以对接收到的产品信息查询请求等数据进行分析等处理，并将处理结果反馈给终端设备。
需要说明的是，本发明实施例所提供的一种复杂起伏场景的自适应分区方法或一种雷达回波仿真方法一般由服务器2105执行，相应地，复杂起伏场景的一种自适应分区装置或一种雷达回波仿真装置一般设置于服务器2105中。
应该理解，图21中的终端设备、网络和服务器的数目仅仅是示意性的。根据实现需要，可以具有任意数目的终端设备、网络和服务器。
下面参考图22，其示出了适于用来实现本发明实施例的终端设备的计算机系统2210的结构示意图。图22示出的终端设备仅仅是一个示例，不应对本发明实施例的功能和使用范围带来任何限制。
如图22所示，计算机系统2210包括中央处理单元(CPU)2211，其可以根据存储在只读存储器(ROM)2212中的程序或者从存储部分 2218加载到随机访问存储器(RAM)2213中的程序而执行各种适当的动作和处理。在RAM 2213中，还存储有系统2210操作所需的各种程序和数据。CPU 2211、ROM 2212以及RAM 2213通过总线2214彼此相连。输入/输出(I/O)接口2215也连接至总线2214。
以下部件连接至I/O接口2215：包括键盘、鼠标等的输入部分2216；包括诸如阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)等以及扬声器等的输出部分2217；包括硬盘等的存储部分2218；以及包括诸如LAN卡、调制解调器等的网络接口卡的通信部分2219。通信部分2219经由诸如因特网的网络执行通信处理。驱动器2210也根据需要连接至I/O接口 2215。可拆卸介质2211，诸如磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等，根据需要安装在驱动器2210上，以便于从其上读出的计算机程序根据需要被安装入存储部分2218。
特别地，根据本发明公开的实施例，上文参考流程图描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本发明公开的实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在计算机可读介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信部分2219从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质2211被安装。在该计算机程序被中央处理单元(CPU)2211执行时，执行本发明的系统中限定的上述功能。
需要说明的是，本发明所示的计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本发明中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本发明中，计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：无线、电线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。
附图中的流程图和框图，图示了按照本发明各种实施例的系统、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、程序段、或代码的一部分，上述模块、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，两个接连地表示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，框图或流程图中的每个方框、以及框图或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操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。
描述于本发明实施例中所涉及到的模块可以通过软件的方式实现，也可以通过硬件的方式来实现。所描述的模块也可以设置在处理器中，例如，可以描述为：一种处理器包括分割模块、第一划分模块和第二划分模块。其中，这些模块的名称在某种情况下并不构成对该模块本身的限定，例如，分割模块还可以被描述为“根据包围球方法将复杂起伏场景分割为目标区域和背景环境区域的模块”。
作为另一方面，本发明还提供了一种计算机可读介质，该计算机可读介质可以是上述实施例中描述的设备中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该设备中。上述计算机可读介质承载有一个或者多个程序，当上述一个或者多个程序被一个该设备执行时，使得该设备包括：本发明的一种复杂起伏场景的自适应分区方法的步骤，或一种雷达回波仿真方法的步骤。
综上所述，本发明采用了适用于并行加速的大场景自适应区域分解预处理算法，在确保计算精度的同时，有效地降低内存消耗，提高算法并行度，为持续推动大规模场景雷达仿真系统的并行化设计开发提供理论与算法支撑。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种复杂起伏场景的自适应分区方法，其特征在于，包括：
步骤一、根据包围球方法将复杂起伏场景分割为目标区域和背景环境区域；其中，所述目标区域包括目标、目标阴影和耦合区域；
步骤二、若所述背景环境区域是孤立起伏场景，则从所述复杂起伏场景划分出孤立起伏背景环境区，在余下背景环境区域是平坦环境时，将所述背景环境区域采用均匀分割的方式划分为至少两个第一子区域，并在区域边界与所述孤立起伏背景环境区相交时，调整分割线使所述孤立起伏背景环境区全部处于一个所述第一子区域内；
步骤三、若所述背景环境区域是连续性起伏场景，则将所述复杂起伏场景采用均匀分割的方式划分为至少两个第二子区域，并在区域边界与所述目标区域相交时，调整分割线使所述目标区域全部处于一个所述第二子区域内；对各个所述第二子区域进行区域延拓处理，使相邻的所述第二子区域存在交叠网格，并在所述交叠网格与所述目标区域相交时，使相邻的所述第二子区域内均包含完整的所述目标区域；
其中，所述目标区域、所述孤立起伏背景区域、所述第一子区域和所述第二子区域用于雷达回波仿真计算，以得到所述复杂起伏场景的回波数据或回波图像。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤一包括：
(1)求出复杂起伏场景中目标的目标包围盒；
(2)在所述复杂起伏场景的地面上找出发射射线与所述目标包围盒产生的阴影边界；
(3)选出所述阴影边界与目标的几何中心的最远距离，以该最远距离为半径、目标的几何中心为球心计算目标包围球；
(4)将所述目标包围球与所述复杂起伏场景的地面相交的圆形区域从复杂起伏场景中分割出来作为目标区域。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤二包括：
(1)通过射线追踪所述背景环境区域中的孤立起伏及其阴影位置，求出所述背景环境区域中所述孤立起伏的起伏包围盒，选出所述阴影位置与所述起伏包围盒在所述背景环境区域的地面上各顶点距离最远的线段，以该线段为直径、该线段中心为圆心计算起伏包围球；
(2)在余下背景环境区域是平坦环境时，将所述背景环境区域均匀划分为至少两个第一子区域；
(3)对所述第一子区域的边界网格处进行射线求解计算，判断区域边界是否与所述起伏包围球相交，并在相交时将与所述起伏包围球相交的最大的所述第一子区域向被切割的方向边界进行延拓，以使所述起伏包围球全部处于一个所述第一子区域内。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤三包括：
(1)采用规则分割的方式将所述复杂起伏场景均匀分割为至少两个第二子区域，当所述目标区域被分割时，将包含所述目标区域最多的所述第二子区域向被切割方向拓展直至将所述目标区域完整包含；
(2)将各个所述第二子区域向被切割的方向进行区域延拓，以使所述第二子区域将具有强散射机理的地形完整包含，当延拓至所述目标区域时，则继续延拓至将所述目标区域完整包含。
5.一种复杂起伏场景的自适应分区装置，其特征在于，包括：
分割模块，用于根据包围球方法将复杂起伏场景分割为目标区域和背景环境区域；其中，所述目标区域包括目标、目标阴影和耦合区域；
第一划分模块，用于在所述背景环境区域是孤立起伏场景时，从所述复杂起伏场景划分出孤立起伏背景环境区，在余下背景环境区域是平坦环境时，将所述背景环境区域采用均匀分割的方式划分为至少两个第一子区域，并在区域边界与所述孤立起伏背景环境区相交时，调整分割线使所述孤立起伏背景环境区全部处于一个所述第一子区域内；
第二划分模块，用于在所述背景环境区域是连续性起伏场景时，将所述复杂起伏场景采用均匀分割的方式划分为至少两个第二子区域，并在区域边界与所述目标区域相交时，调整分割线使所述目标区域全部处于一个所述第二子区域内；对各个所述第二子区域进行区域延拓处理，使相邻的所述第二子区域存在交叠网格，并在所述交叠网格与所述目标区域相交时，使相邻的所述第二子区域内均包含完整的所述目标区域；
其中，所述目标区域、所述孤立起伏背景区域、所述第一子区域和所述第二子区域用于雷达回波仿真计算，以得到所述复杂起伏场景的回波数据或回波图像。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，
所述分割模块具体用于：
(1)求出复杂起伏场景中目标的目标包围盒；
(2)在所述复杂起伏场景的地面上找出发射射线与所述目标包围盒产生的阴影边界；
(3)选出所述阴影边界与目标的几何中心的最远距离，以该最远距离为半径、目标的几何中心为球心计算目标包围球；
(4)将所述目标包围球与所述复杂起伏场景的地面相交的圆形区域从复杂起伏场景中分割出来作为目标区域；
所述第一划分模块具体用于：
(1)通过射线追踪所述背景环境区域中的孤立起伏及其阴影位置，求出所述背景环境区域中所述孤立起伏的起伏包围盒，选出所述阴影位置与所述起伏包围盒在所述背景环境区域的地面上各顶点距离最远的线段，以该线段为直径、该线段中心为圆心计算起伏包围球；
(2)在余下背景环境区域是平坦环境时，将所述背景环境区域均匀划分为至少两个第一子区域；
(3)对所述第一子区域的边界网格处进行射线求解计算，判断区域边界是否与所述起伏包围球相交，并在相交时将与所述起伏包围球相交的最大的所述第一子区域向被切割的方向边界进行延拓，以使所述起伏包围球全部处于一个所述第一子区域内；
所述第二划分模块具体用于：
(1)采用规则分割的方式将所述复杂起伏场景均匀分割为至少两个第二子区域，当所述目标区域被分割时，将包含所述目标区域最多的所述第二子区域向被切割方向拓展直至将所述目标区域完整包含；
(2)将各个所述第二子区域向被切割的方向进行区域延拓，以使所述第二子区域将具有强散射机理的地形完整包含，当延拓至所述目标区域时，则继续延拓至将所述目标区域完整包含。
7.一种雷达回波仿真方法，其特征在于，包括：
设定SAR回波仿真参数；
建立雷达仿真场景几何模型；
采用如权利要求1-4中任一所述的方法对所述雷达仿真场景几何模型进行预处理，得到第一子区域和目标区域或第二子区域，对所述第一子区域和所述目标区域或所述第二子区域进行雷达回波仿真计算，至此建立完整的电磁散射模型；其中，所述电磁散射模型包括目标电磁散射模型、环境电磁散射模型以及目标与环境间的耦合电磁散射模型；
基于所述电磁散射模型计算复杂起伏场景的扫频数据；
基于所述扫频数据得到复杂起伏场景的回波数据或回波图像。
8.一种雷达回波仿真装置，其特征在于，包括：
设定模块，用于设定SAR回波仿真参数；
建立模块，用于建立雷达仿真场景几何模型；
预处理模块，用于采用如权利要求1-4中任一所述的方法对所述雷达仿真场景几何模型进行预处理，得到第一子区域和目标区域或第二子区域，对所述第一子区域和所述目标区域或所述第二子区域进行雷达回波仿真计算，至此建立完整的电磁散射模型；其中，所述电磁散射模型包括目标电磁散射模型、环境电磁散射模型以及目标与环境间的耦合电磁散射模型；
计算模块，用于基于所述电磁散射模型计算复杂起伏场景的扫频数据；
仿真模块，用于基于所述扫频数据得到复杂起伏场景的回波数据或回波图像。
9.一种复杂起伏场景的自适应分区终端，其特征在于，包括：
一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序，
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如权利要求1-4中任一所述的方法或如权利要求7所述的方法。
10.一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现如权利要求1-4中任一所述的方法或如权利要求7所述的方法。
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| CN114089336A (zh) | 2022-02-25 |
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Legal Events
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