CN114636982A - 分析紧邻动态弹头的等效耦合散射中心重构方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种分析紧邻动态弹头的等效耦合散射中心重构方法，该方法为：针对紧邻耦合动态弹头的场景，构建初始的耦合散射中心模型，并利用全波法精确计算耦合回波；利用全波法计算紧邻动态弹头间的耦合回波，得到真实的耦合时频图；根据获得的真实耦合回波时频图，将耦合散射中心的位置变化，等效为单个动态弹头的散射中心位置变化；通过匹配初始的耦合散射中心模型和全波法构建的时频图，得到准确的耦合散射中心模型中的幅度信息；依托获取的幅度与位置信息，得到准确的耦合散射中心模型中的位置信息和幅度信息，可以准确表征紧邻动态弹头的雷达回波。本发明简化了弹头间耦合散射中心的建模难度，实现了动态弹头耦合散射中心的精确表征。

Description

分析紧邻动态弹头的等效耦合散射中心重构方法
技术领域
本发明涉及运动目标的电磁特征表征技术领域，特别是一种分析紧邻动态弹头的等效耦合散射中心重构方法。
背景技术
雷达目标特征提取技术是雷达高分辨图像分析的基础，高频区域内目标总电磁散射可以认为是由空间某些位置上的独立散射位置回波叠加而成，这些散射位置叫做有效散射中心。散射中心概念产生于实验验证，并没有严格意义的数学证明，但雷达测量回波信息与各独立散射中心源叠加结果相一致，有效证明了目标电磁散射特性可以通过散射中心准确体现。
针对目标耦合散射中心的研究，何洋(何洋.复杂目标精细化高频电磁建模方法及应用研究[D].武汉大学,2014)等人给出了坦克等目标的散射中心正向建模提取方法。基于对复杂目标部件分解的散射中心提取技术，先对复杂目标进行部件分解，然后通过弹跳射线分集方式对属性散射中心中的参数进行估计，实现了散射中心的正向建模，提取了目标部件与部件之间的耦合散射中心，主要对多次弹跳射线分集的结果进行分类，进一步丰富了不同散射结构之间耦合的频率依赖因子，实现了复杂目标部件间耦合散射中心的提取。张羽绒考虑环境因素(张羽绒.粗糙地面上复杂目标电磁散射高频建模方法研究[D].武汉大学,2020)，对粗糙面和目标组成的复杂结构耦合散射中心进行研究，建立散射中心参数化模型。
现有关于耦合散射中心的工作主要集中在对于复杂目标部件间或者目标与环境的耦合散射中心进行提取，未考虑到部件的相对位置的改变导致的耦合散射中心的变化，不能有效解决对于紧邻动态弹头的耦合散射中心的分析问题。
对于远距离目标的散射中心电磁特征处理可采用将各目标作为一个独立的雷达目标进行处理。通过静态雷达目标的散射点提取方法得到目标在全姿态角下的点散射模型，然后与远距离目标在一定的观测角下的散射模型合并，即对动态目标的雷达散射模型可以在静态雷达目标的模型的基础上进行扩展。然而紧邻目标之间存在电磁耦合关系，导致新的复杂强耦合散射中心，运动将导致耦合散射中心的变化更为复杂。此时需要考虑耦合散射中心重构回波对于总回波的贡献，使总散射中心重构回波得到更准确的表征，目前尚未有相关报道能够有效的解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种分析紧邻动态弹头的等效耦合散射中心重构方法，从而实现紧邻动态弹头的耦合散射中心快速分析。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种分析紧邻动态弹头的等效耦合散射中心重构方法，包括以下步骤：
步骤1、针对紧邻耦合动态弹头的场景，构建初始的耦合散射中心模型，并生成模拟的初始耦合时频图；
步骤2、针对步骤1所述紧邻耦合动态弹头的场景，利用全波法计算紧邻动态弹头间的耦合回波，得到真实的耦合时频图；根据获得的真实耦合回波时频图和单个动态弹头等效散射中心位置变化，得到耦合散射中心的位置变化；
步骤3、将步骤1所得模拟的初始耦合时频图与步骤2所得的真实的耦合时频图采用遗传算法进行匹配，得到准确的耦合散射中心模型的幅度信息；通过求解两幅时频图的相关系数判断时频匹配的效果，达到散射中心计算精度要求；
步骤4、根据步骤2获取的位置信息与步骤3获取的幅度信息，得到准确的耦合散射中心模型中的位置信息和幅度信息，表征紧邻耦合动态弹头的雷达回波。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)耦合散射中心的位置变化使用单个动态弹头散射中心位置变化等效，简化了动态弹头间耦合散射中心的建模难度；(2)实现了动态弹头间耦合散射中心的精确表征。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1是雷达观测两进动弹头的示意图。
图2是弹头目标进动过程示意图。
图3是时频图匹配的流程图。
图4是两弹头模型示意图。
图5是全波法以及散射中心模型散射数据时频图对比图。
图6是全波法以及散射中心模型散射RCS数据对比图。
图7为考虑与不考虑耦合的表征回波以及全波法计算的RCS对比图。
具体实施方式
本发明分析紧邻动态弹头的等效耦合散射中心重构方法，针对紧邻耦合动态弹头的场景，构建基于等效弹头的紧邻动态弹头耦合散射中心模型，并利用全波法精确计算耦合回波；将耦合散射中心的位置变化，等效为单个动态弹头的散射中心位置变化；通过匹配耦合散射中心模型和全波法构建的时频图，得到散射中心的幅度信息；依托获取的幅度与位置信息，得到耦合散射中心模型，可以准确表征紧邻动态弹头的雷达回波。
本发明一种分析紧邻动态弹头的等效耦合散射中心重构方法，包括以下步骤：
步骤1、针对紧邻耦合动态弹头的场景，构建初始的耦合散射中心模型，并生成模拟的初始耦合时频图；
步骤2、针对步骤1所述紧邻耦合动态弹头的场景，利用全波法计算紧邻动态弹头间的耦合回波，得到真实的耦合时频图；根据获得的真实耦合回波时频图和单个动态弹头等效散射中心位置变化，得到耦合散射中心的位置变化；
步骤3、将步骤1所得模拟的初始耦合时频图与步骤2所得的真实的耦合时频图采用遗传算法进行匹配，得到准确的耦合散射中心模型的幅度信息；通过求解两幅时频图的相关系数判断时频匹配的效果，达到散射中心计算精度要求；
步骤4、根据步骤2获取的位置信息与步骤3获取的幅度信息，得到准确的耦合散射中心模型中的位置信息和幅度信息，表征紧邻耦合动态弹头的雷达回波。
进一步地，步骤1中所述的针对紧邻耦合动态弹头的场景，构建初始的耦合散射中心模型，并生成模拟的初始耦合时频图，具体如下：
弹头在紧邻耦合的情况时，考虑耦合散射中心的存在，紧邻动态弹头的耦合散射中心表示为
Figure BDA0003540979630000031
其中，Et为全波法计算的弹头之间的耦合回波，N为散射中心的个数，Ai(t)为第i个散射中心的幅值，ri(t)为耦合散射中心随时间的位置变化，rlos为雷达观测的视线角，f为雷达频率，c为光速。
进一步地，步骤2所述针对步骤1所述紧邻耦合动态弹头的场景，利用全波法计算紧邻动态弹头间的耦合回波，得到真实的耦合时频图，根据获得的真实耦合回波时频图，将耦合散射中心的位置变化，等效为单个动态弹头的散射中心位置变化，具体如下：
锥体过质心的对称轴为OA，目标绕自旋轴以角速度ωs做自旋运动，同时OA绕Oz以角速度ω旋转，这种运动即进动，Oz轴即为进动轴；
设t时刻耦合散射中心的位置矢量
Figure BDA0003540979630000032
是关于t的函数；rx(t)、ry(t)、rz(t)为t时刻耦合散射中心的位置在x、y、z轴的分量；
雷达视线的方向向量
Figure BDA0003540979630000041
为
Figure BDA0003540979630000042
进动角旋转矩阵rθ为
Figure BDA0003540979630000043
进动旋转矩阵rp为
Figure BDA0003540979630000044
进动轴指向
Figure BDA0003540979630000045
为
Figure BDA0003540979630000046
散射中心的位置矢量rt可表示为：
Figure BDA0003540979630000047
Figure BDA0003540979630000048
Figure BDA0003540979630000049
Figure BDA0003540979630000051
其中，等效耦合散射中心位置各分量的表达式如式(7)、式(8)和式(9)所示，r为弹头底面半径，θ为进动角，
Figure BDA0003540979630000052
为方位角，γ为雷达视线和进动轴的夹角即雷达视线角；
等效耦合散射中心位置rt的表达式包含常量r,θ,
Figure BDA0003540979630000053
γ,ω和时间变量t，表达式为关于t的函数。
进一步地，步骤3所述将步骤1所得模拟的初始耦合时频图与步骤2所得的真实的耦合时频图采用遗传算法进行匹配，得到准确的耦合散射中心模型的幅度信息；通过求解两幅时频图的相关系数判断时频匹配的效果，达到散射中心计算精度要求，具体如下：
相关系数的计算公式为：
Figure BDA0003540979630000054
式中：
Figure BDA0003540979630000055
Figure BDA0003540979630000056
其中，Cor(.)为全波法仿真时频图像和散射中心模型重构时频图像的相关系数的运算，f(i,k)和g(i,k)分别代表全波法仿真生成的时频图和散射中心构建的时频图的图像矩阵，M,N代表图像矩阵的维度大小。
进一步地，步骤4所述根据步骤2获取的位置信息与步骤3获取的幅度信息，得到准确的耦合散射中心模型中的位置信息和幅度信息，表征紧邻耦合动态弹头的雷达回波，具体如下：
得到准确的耦合散射中心模型中的位置信息和幅度信息，利用式(1)重构耦合散射中心模型的回波，实现对全波法计算耦合回波的精确表征，从而使总表征回波更加接近全波法仿真的回波。
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例
本发明是一种分析紧邻动态弹头的等效耦合散射中心重构方法，是针对动态双弹头耦合散射中心的回波重构，它基于耦合散射中心模型、时频图匹配、动态弹头散射中心位置建模，图1是雷达观测两进动弹头的示意图，具体步骤如下：
步骤1、针对紧邻耦合动态弹头的场景，构建初始的耦合散射中心模型，并利用全波法精确计算的耦合回波，具体如下：
弹头在紧邻耦合的情况时，由于紧邻耦合目标之间存在耦合关系，导致新的复杂强耦合散射中心，运动导致耦合散射中心更加复杂，不可将各目标作为独立的雷达目标进行处理，需要考虑耦合散射中心的存在。
紧邻动态弹头的耦合散射中心表示为
Figure BDA0003540979630000061
Et为全波法精确计算的弹头之间的耦合回波，N为散射中心的个数，Ai(t)为第i个散射中心的幅值，ri(t)为耦合散射中心随时间的位置变化，rlos为雷达观测的视线角，f为雷达频率，c为光速。
步骤2、针对步骤1所述紧邻耦合动态弹头的场景，利用全波法计算紧邻动态弹头间的耦合回波，得到真实的耦合时频图，根据获得的真实耦合回波时频图，将耦合散射中心的位置变化，等效为单个动态弹头的散射中心位置变化，具体如下：
根据全波分析方法计算的耦合回波时频图，紧邻双弹头同步进动时耦合散射中心的位置变化等效为单个弹头在原点进动时的散射点变化，图2为单个弹头进动的示意图。
某锥体的过质心的对称轴为OA，目标绕自旋轴以角速度ωs做自旋运动。同时，OA绕Oz以角速度ω旋转，这种运动即进动，Oz轴即为进动轴。
设t时刻耦合散射中心的位置矢量
Figure BDA0003540979630000062
是关于t的函数。
雷达视线的方向向量为
Figure BDA0003540979630000063
进动角旋转矩阵为
Figure BDA0003540979630000071
进动旋转矩阵为
Figure BDA0003540979630000072
进动轴指向为
Figure BDA0003540979630000073
散射中心的位置矢量rt可表示为：
Figure BDA0003540979630000074
Figure BDA0003540979630000075
Figure BDA0003540979630000076
Figure BDA0003540979630000077
等效耦合散射中心位置各分量的表达式如上式所示，其中r为弹头底面半径，θ为进动角，
Figure BDA0003540979630000078
为方位角，γ为雷达视线和进动轴的夹角即雷达视线角。
等效耦合散射中心位置rt的表达式包含常量r,θ,
Figure BDA0003540979630000081
γ,ω和时间变量t，表达式为关于t的函数。
步骤3、通过匹配耦合散射中心模型和全波法构建的时频图，得到准确的耦合散射中心模型中的位置信息和幅度信息，具体如下：
图3为遗传算法匹配时频图的流程图，用遗传算法对全波法仿真生成的时频图和散射中心构建的时频图进行匹配，得出耦合散射中心模型的幅度信息，通过求解两幅时频图的相关系数来判断时频匹配的效果，相关系数越接近于1，达到散射中心计算精度要求。实现耦合散射中心幅度的估计，从而使得耦合散射中心重构的数据得到精确的表征。
相关系数的计算公式为：
Figure BDA0003540979630000082
式中：
Figure BDA0003540979630000083
Figure BDA0003540979630000084
Cor(.)为全波法仿真时频图像和散射中心模型重构时频图像的相关系数的运算，f(i,k)和g(i,k)分别代表全波法仿真生成的时频图和散射中心构建的时频图的图像矩阵，M,N代表图像矩阵的维度大小。
步骤4、根据步骤2获取的位置信息与步骤3获取的幅度信息，得到准确的耦合散射中心模型中的位置信息和幅度信息，表征紧邻耦合动态弹头的雷达回波。
图4为双弹头进动的示意图。两弹头底面半径0.1m，上部分圆锥高0.24m，柱体高0.25m。质心均位于圆锥底面中心，底面中心相距0.24m。两个弹头同姿态同频率进动，进动角4°，进动频率3Hz，f＝10GHz。图5为全波法以及耦合散射中心模型散射数据的时频图对比，两时频图相关系数cor(TFR0,TFR1)＝91.29％，TFR0和TFR1分别表示通过全波算法获取散射数据后仿真得到的目标时频图像矩阵以及通过散射中心模型生成的时频图像矩阵。图6为全波法和散射中心模型重构的RCS对比。由图可见，本发明实现了双弹头进动时耦合散射中心的精确表征。图7为考虑耦合的表征回波、不考虑耦合的表征回波以及全波法计算的RCS对比。由图可见，考虑了耦合回波后，散射中心模型的表征回波更加接近全波法计算的回波。

Claims (5)

1.一种分析紧邻动态弹头的等效耦合散射中心重构方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、针对紧邻耦合动态弹头的场景，构建初始的耦合散射中心模型，并生成模拟的初始耦合时频图；
步骤2、针对步骤1所述紧邻耦合动态弹头的场景，利用全波法计算紧邻动态弹头间的耦合回波，得到真实的耦合时频图；根据获得的真实耦合回波时频图和单个动态弹头等效散射中心位置变化，得到耦合散射中心的位置变化；
步骤3、将步骤1所得模拟的初始耦合时频图与步骤2所得的真实的耦合时频图采用遗传算法进行匹配，得到准确的耦合散射中心模型的幅度信息；通过求解两幅时频图的相关系数判断时频匹配的效果，达到散射中心计算精度要求；
步骤4、根据步骤2获取的位置信息与步骤3获取的幅度信息，得到准确的耦合散射中心模型中的位置信息和幅度信息，表征紧邻耦合动态弹头的雷达回波。
2.根据权利要求1所述的分析紧邻动态弹头的等效耦合散射中心重构方法，其特征在于，步骤1中所述的针对紧邻耦合动态弹头的场景，构建初始的耦合散射中心模型，并生成模拟的初始耦合时频图，具体如下：
弹头在紧邻耦合的情况时，考虑耦合散射中心的存在，紧邻动态弹头的耦合散射中心表示为
Figure FDA0003540979620000011
其中，Et为全波法计算的弹头之间的耦合回波，N为散射中心的个数，Ai(t)为第i个散射中心的幅值，ri(t)为耦合散射中心随时间的位置变化，rlos为雷达观测的视线角，f为雷达频率，c为光速。
3.根据权利要求1所述的分析紧邻动态弹头的等效耦合散射中心重构方法，其特征在于，步骤2所述针对步骤1所述紧邻耦合动态弹头的场景，利用全波法计算紧邻动态弹头间的耦合回波，得到真实的耦合时频图，根据获得的真实耦合回波时频图，将耦合散射中心的位置变化，等效为单个动态弹头的散射中心位置变化，具体如下：
锥体过质心的对称轴为OA，目标绕自旋轴以角速度ωs做自旋运动，同时OA绕Oz以角速度ω旋转，这种运动即进动，Oz轴即为进动轴；
设t时刻耦合散射中心的位置矢量
Figure FDA0003540979620000021
是关于t的函数；rx(t)、ry(t)、rz(t)为t时刻耦合散射中心的位置在x、y、z轴的分量；
雷达视线的方向向量
Figure FDA0003540979620000022
为
Figure FDA0003540979620000023
进动角旋转矩阵rθ为
Figure FDA0003540979620000024
进动旋转矩阵rp为
Figure FDA0003540979620000025
进动轴指向
Figure FDA0003540979620000026
为
Figure FDA0003540979620000027
散射中心的位置矢量rt可表示为：
Figure FDA0003540979620000028
Figure FDA0003540979620000029
Figure FDA0003540979620000031
Figure FDA0003540979620000032
其中，等效耦合散射中心位置各分量的表达式如式(7)、式(8)和式(9)所示，r为弹头底面半径，θ为进动角，
Figure FDA0003540979620000033
为方位角，γ为雷达视线和进动轴的夹角即雷达视线角；
等效耦合散射中心位置rt的表达式包含常量
Figure FDA0003540979620000034
和时间变量t，表达式为关于t的函数。
4.根据权利要求1所述的分析紧邻动态弹头的等效耦合散射中心模型重构方法，其特征在于，步骤3所述将步骤1所得模拟的初始耦合时频图与步骤2所得的真实的耦合时频图采用遗传算法进行匹配，得到准确的耦合散射中心模型的幅度信息；通过求解两幅时频图的相关系数判断时频匹配的效果，达到散射中心计算精度要求，具体如下：
相关系数的计算公式为：
Figure FDA0003540979620000035
式中：
Figure FDA0003540979620000036
Figure FDA0003540979620000037
其中，Cor(.)为全波法仿真时频图像和散射中心模型重构时频图像的相关系数的运算，f(i,k)和g(i,k)分别代表全波法仿真生成的时频图和散射中心构建的时频图的图像矩阵，M,N代表图像矩阵的维度大小。
5.根据权利要求1所述的分析紧邻动态弹头的等效耦合散射中心重构方法，其特征在于，步骤4所述根据步骤2获取的位置信息与步骤3获取的幅度信息，得到准确的耦合散射中心模型中的位置信息和幅度信息，表征紧邻耦合动态弹头的雷达回波，具体如下：
得到准确的耦合散射中心模型中的位置信息和幅度信息，利用式(1)重构耦合散射中心模型的回波，实现对全波法计算耦合回波的精确表征，从而使总表征回波更加接近全波法仿真的回波。
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冯艾茜;郭琨毅;盛新庆;: "无翼平底弹头的属性散射中心模型改进与参数估计", 北京理工大学学报, no. 09, 30 September 2015 (2015-09-30) *

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CN116430349A (zh) * 2023-06-14 2023-07-14 南京理工大学 一种基于物理先验知识的空间群目标探测方法及系统
CN116430349B (zh) * 2023-06-14 2023-08-29 南京理工大学 一种基于物理先验知识的空间群目标探测方法及系统

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