CN114814772B - 一种基于单目标极化散射矩阵的电大集群目标rcs计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单目标极化散射矩阵的电大集群目标RCS计算方法，包括以下步骤：S1.配置集群目标场景信息；S2.依次获取集群内各单目标的极化散射系数和第n阶远区散射场；S3.计算集群第n阶远区散射场，判断是否小于预先设定的阈值：若是，将当前的n记为N，进入步骤S5；若否，进入步骤S4；S4.对所述集群目标中的每一个目标计算第n+1阶入射场；然后对n进行更新后返回步骤S2；S5.对集群目标的远区散射场的1～N阶远区散射场按照极化方向进行叠加，得到所述集群目标的远区散射总场E_s；S6.根据雷达散射截面的定义式，计算多目标场景的雷达散射截面σ。本发明有效提高了计算速度和效率，并能实时地给出预测结果，同时还能够给出目标间散射场的耦合过程。

Description

一种基于单目标极化散射矩阵的电大集群目标RCS计算方法

技术领域

本发明涉及RCS计算，特别是涉及一种基于单目标极化散射矩阵的电大集群目标RCS计算方法。

背景技术

电磁学领域中的电大集群目标雷达散射截面(Radar Cross Section，RCS)计算方法具有着非常广泛的应用，但是，就目前而言传统的计算电磁学方法还存在着一些不足：

(1)传统的计算电磁学方法计算速度慢、效率低，不能近实时地给出预测结果；

(2)传统的计算电磁学方法只能给出最终结果，不能给出目标间散射场的耦合过程；

(3)传统的计算电磁学方法基于模型，无法脱离模型进行计算。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于单目标极化散射矩阵的电大集群目标RCS计算方法，有效提高了计算速度和效率，并能实时地给出预测结果，同时还能够给出目标间散射场的耦合过程。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于单目标极化散射矩阵的电大集群目标RCS计算方法，包括以下步骤：

S1.配置集群目标场景信息：

集群中包含多个单目标，集群目标场景信息包括：集群中的各单目标信息、全局坐标系初始入射场和全局坐标系远区散射场的散射角；

所述集群中各单目标信息包括：单目标的全向极化散射矩阵数据库、等效原点坐标本地坐标系/>朝向，其中，单目标在集群中的本地坐标系的基矢方向与单目标全向极化散射矩阵数据库中的坐标系基矢方向相同；所述单目标全向极化散射矩阵数据库包括：四维空间中，按照设定间隔进行等间隔采样获得的所有网格节点上的该单目标的极化散射矩阵；每个极化散射矩阵都包含四个元素，分别是垂直收-垂直发的极化散射系数S_θθ、垂直收-水平发的极化散射系数/>水平收-垂直发的极化散射系数/>和水平收-水平发的极化散射系数/>所述四维空间是指入射场波矢在极角∈[0°，90°]、方位角∈[0°，360°]，散射场波矢在极角∈[0°，90°]、方位角∈[0°，360°]时形成的四维空间；

所述初始入射场是一个矢量，包含场强和全局坐标系下的入射角；

初始化n＝1，将n＝1时各个单目标的n阶入射场均设置为初始入射场；

S2.依次获取集群内各单目标的极化散射系数和第n阶远区散射场；

S3.对所述集群目标中所有目标的远区散射场按照极化方向进行叠加，得到所述集群的第n阶远区散射场，判断集群的第n阶远区散射场是否小于预先设定的阈值：

若是，将当前的n记为N，进入步骤S5；

若否，进入步骤S4；

S4.对所述集群目标中的每一个目标，计算除该目标外的所有其他目标的第n阶远区散射场的和，将此散射场的和定义为该目标的第n+1阶入射场；然后对n进行更新：n＝n+1，即更新后的n等于更新前的n加1，返回步骤S2；

S5.对所述集群目标的1~N阶远区散射场按照全局坐标系下的极化方向进行叠加，得到所述观测方向上的集群目标的远区散射总场；

S6.根据雷达散射截面的定义式，计算多目标场景的雷达散射截面σ。

进一步地，所述步骤S2包括：

S201.将当前的入射场波矢在全局坐标系的入射角(Θ_ix，Φ_ix)转换为在目标本地坐标系/>的入射角/>入射角(Θ_ix，Φ_ix)中，Θ_ix和Φ_ix分别表示入射场波矢在全局坐标系中的极角和方位角；入射角/>中θ_ix、/>分别表示入射场波矢在目标本地坐标系中的极角和方位角；

同时，将全局坐标系远区散射场的散射角(Θ_sx，Φ_sx)转换为在目标本地坐标系/>的散射角/>散射角(Θ_sx，Φ_sx)中，Θ_sx和Φ_sx分别表示散射场波矢在全局坐标系中的极角和方位角；散射角/>中θ_sx、/>分别表示散射场波矢在目标本地坐标系中的极角和方位角；

S202.基于各单目标的全向极化散射矩阵数据库，通过直接调用的方式，以S201矢量变换得到的局部坐标系入射角和远场观测角/>为索引，得到所述集群目标中任一单目标在当前入射和散射方向上的极化散射系数/>

S203.通过极化散射系数和给定入射场，得到所述集群目标中任一单目标的远区散射场。

所述步骤S201中，当前的入射场波矢在全局坐标系/>的入射角(Θ_ix，Φ_ix)与在目标本地坐标系/>的极角和方位角/>的转换方式如下：

目标本地坐标系方向基矢与全局坐标系方向基矢/>之间满足以下关系：

入射场波矢在集群全局坐标系下表示为：

入射场波矢在目标本地坐标系下表示为：

将集群全局坐标系入射角(Θ_ix，Φ_ix)转换为目标本地坐标系入射角的公式为：

θ_ix＝arccos[k_iw]

其中，

同理，当前的散射场波矢在全局坐标系/>的散射角(Θ_sx，Φ_sx)与目标本地坐标系/>的散射角/>的转换方式如下：

目标本地坐标系方向基矢与全局坐标系方向基矢/>之间满足以下关系：

散射场波矢在集群全局坐标系下表示为：

散射场波矢在目标本地坐标系下表示为：

将集群全局坐标系散射角(Θ_sx，Φ_sx)转换为目标本地坐标系散射角的公式为：

θ_sx＝arccos[k_sw]

其中，

所述步骤S202包括：

根据入射角和远场观测角得到索引直接调用数据库中的极化散射系数；调用流程为：

A1：计算数据库中与当前索引最接近的采样点公式为：

θ_s＝round(θ_sx/Δθ_s)*Δθ_s

θ_i＝round(θ_ix/Δθ_i)*Δθ_i

其中，单目标全向极化散射矩阵数据库的散射场波矢对极角的采样间隔为Δθ_s、对方位角的采样间隔为入射场波矢对极角的采样间隔为Δθ_i、对方位角的采样间隔为round(x)为向x最近整数取整的函数，即x四舍五入得到的整数；

A2：在单目标全向极化散射矩阵数据库中，在网格节点上的单目标的极化散射矩阵中的极化散射系数即为根据索引/>直接调用数据库得到的当前入射、散射方向上的极化散射系数/>

所述步骤S203中，由极化散射系数和给定入射场计算任一目标的远区散射场的公式如下：

其中，为单目标的远区散射场矢量，/>和/>分别为全局坐标系中的散射场场强垂直极化分量和水平极化分量，/>和/>分别为全局坐标系中的散射场垂直极化方向基矢和水平极化方向基矢，/>和/>分别为目标本地坐标系中的散射场垂直极化方向基矢和水平极化方向基矢；/>为入射场矢量，/>和/>分别为目标本地坐标系中的入射场场强垂直极化分量和水平极化分量，/>和/>分别为目标本地坐标系中的入射场垂直极化方向基矢和水平极化方向基矢；/>和/>分别为全局坐标系中的入射场和散射场波矢，/>为全局坐标系中的目标等效原点坐标，/>为全局坐标系中的空间任意点。

进一步地，所述步骤S3和步骤S5中，远区散射场在全局坐标系下按照极化类型进行分类叠加，公式如下：

其中，t为集群中的目标编号，和/>分别为全局坐标系中的场垂直极化方向基矢和水平极化方向基矢，/>和/>分别为编号为t的目标的散射场在全局坐标系中的/>分量场强和/>分量场强。当计算集群的第n阶远区散射场时，T＝集群中的目标数量；当计算单目标的第n+1阶入射场时，T＝集群中的目标数量-1。

进一步地，所述步骤S6中，雷达散射截面的定义如下：

其中，r为观测点至目标的距离，E_s为指定观测方向上的集群目标的远区散射总场，E_i为集群目标初始入射场。

本发明的有益效果是：本发明有效提高了计算速度和效率，并能实时地给出预测结果，同时还能够给出目标间散射场的耦合过程，并且能够脱离模型进行计算。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为全局坐标系和本地坐标系下的角度示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，一种基于单目标极化散射矩阵的电大集群目标RCS计算方法，包括以下步骤：

S1.配置集群目标场景信息：

集群中包含多个单目标，集群目标场景信息包括：集群中的各单目标信息、全局坐标系初始入射场和全局坐标系远区散射场的散射角；

所述集群中各单目标信息包括：单目标的全向极化散射矩阵数据库、等效原点坐标本地坐标系/>朝向，其中，单目标在集群中的本地坐标系的基矢方向与单目标全向极化散射矩阵数据库中的坐标系基矢方向相同；所述单目标全向极化散射矩阵数据库包括：四维空间中，按照设定间隔进行等间隔采样获得的所有网格节点上的该单目标的极化散射矩阵；每个极化散射矩阵都包含四个元素，分别是垂直收-垂直发的极化散射系数S_θθ、垂直收-水平发的极化散射系数/>水平收-垂直发的极化散射系数/>和水平收-水平发的极化散射系数/>所述四维空间是指入射场波矢在极角∈[0°，90°]、方位角∈[0°，360°]，散射场波矢在极角∈[0°，90°]、方位角∈[0°，360°]时形成的四维空间；

所述初始入射场是一个矢量，包含场强和全局坐标系下的入射角；

初始化n＝1，将n＝1时各个单目标的n阶入射场均设置为初始入射场；

S2.依次获取集群内各单目标的极化散射系数和第n阶远区散射场；

S3.对所述集群目标中所有目标的远区散射场按照极化方向进行叠加，得到所述集群的第n阶远区散射场，判断集群的第n阶远区散射场是否小于预先设定的阈值：

若是，将当前的n记为N，进入步骤S5；

若否，进入步骤S4；

S4.对所述集群目标中的每一个目标，计算除该目标外的所有其他目标的第n阶远区散射场的和，将此散射场的和定义为该目标的第n+1阶入射场；然后对n进行更新：n＝n+1，即更新后的n等于更新前的n加1，返回步骤S2；

S5.对所述集群目标的1~N阶远区散射场按照全局坐标系下的极化方向进行叠加，得到所述观测方向上的集群目标的远区散射总场；

S6.根据雷达散射截面的定义式，计算多目标场景的雷达散射截面σ。

进一步地，所述步骤S2包括：

S201.将当前的入射场波矢在全局坐标系的入射角(Θ_ix，Φ_ix)转换为在目标本地坐标系/>的入射角/>入射角(Θ_ix，Φ_ix)中，Θ_ix和Φ_ix分别表示入射场波矢在全局坐标系中的极角和方位角；入射角/>中θ_ix、/>分别表示入射场波矢在目标本地坐标系中的极角和方位角；

同时，将全局坐标系远区散射场的散射角(Θ_sx，Φ_sx)转换为在目标本地坐标系/>的散射角/>散射角(Θ_sx，Φ_sx)中，Θ_sx和Φ_sx分别表示散射场波矢在全局坐标系中的极角和方位角；散射角/>中θ_sx、/>分别表示散射场波矢在目标本地坐标系中的极角和方位角；

S202.基于各单目标的全向极化散射矩阵数据库，通过直接调用的方式，以S201矢量变换得到的局部坐标系入射角和远场观测角/>为索引，得到所述集群目标中任一单目标在当前入射和散射方向上的极化散射系数/>

S203.通过极化散射系数和给定入射场，得到所述集群目标中任一单目标的远区散射场。

如图2所示，所述步骤S201中，当前的入射场波矢在全局坐标系/>的入射角(Θ_ix，Φ_ix)与在目标本地坐标系/>的极角和方位角/>的转换方式如下：

目标本地坐标系方向基矢与全局坐标系方向基矢/>之间满足以下关系：

入射场波矢在集群全局坐标系下表示为：

入射场波矢在目标本地坐标系下表示为：

将集群全局坐标系入射角(Θ_ix，Φ_ix)转换为目标本地坐标系入射角的公式为：

θ_ix＝arccos[k_iw]

其中，

同理，当前的散射场波矢在全局坐标系/>的散射角(Θ_sx，Φ_sx)与目标本地坐标系/>的散射角/>的转换方式如下：

目标本地坐标系方向基矢与全局坐标系方向基矢/>之间满足以下关系：

散射场波矢在集群全局坐标系下表示为：

散射场波矢在目标本地坐标系下表示为：

将集群全局坐标系散射角(Θ_sx，Φ_sx)转换为目标本地坐标系散射角的公式为：

θ_sx＝arccos[k_sw]

其中，

所述步骤S202包括：

根据入射角和远场观测角得到索引直接调用数据库中的极化散射系数；调用流程为：

A1：计算数据库中与当前索引最接近的采样点公式为：

θ_s＝round(θ_sx/Δθ_s)*Δθ_s

θ_i＝round(θ_ix/Δθ_i)*Δθ_i

其中，单目标全向极化散射矩阵数据库的散射场波矢对极角的采样间隔为Δθ_s、对方位角的采样间隔为入射场波矢对极角的采样间隔为Δθ_i、对方位角的采样间隔为round(x)为向x最近整数取整的函数，即x四舍五入得到的整数；

A2：在单目标全向极化散射矩阵数据库中，在网格节点上的单目标的极化散射矩阵中的极化散射系数即为根据索引/>直接调用数据库得到的当前入射、散射方向上的极化散射系数/>

所述步骤S203中，由极化散射系数和给定入射场计算任一目标的远区散射场的公式如下：

其中，为单目标的远区散射场矢量，/>和/>分别为全局坐标系中的散射场场强垂直极化分量和水平极化分量，/>和/>分别为全局坐标系中的散射场垂直极化方向基矢和水平极化方向基矢，/>和/>分别为目标本地坐标系中的散射场垂直极化方向基矢和水平极化方向基矢；/>为入射场矢量，/>和/>分别为目标本地坐标系中的入射场场强垂直极化分量和水平极化分量，/>和/>分别为目标本地坐标系中的入射场垂直极化方向基矢和水平极化方向基矢；/>和/>分别为全局坐标系中的入射场和散射场波矢，/>为全局坐标系中的目标等效原点坐标，/>为全局坐标系中的空间任意点。

进一步地，所述步骤S3和步骤S5中，远区散射场在全局坐标系下按照极化类型进行分类叠加，公式如下：

其中，t为集群中的目标编号，和/>分别为全局坐标系中的场垂直极化方向基矢和水平极化方向基矢，/>和/>分别为编号为t的目标的散射场在全局坐标系中的/>分量场强和/>分量场强。当计算集群的第n阶远区散射场时，T＝集群中的目标数量；当计算单目标的第n+1阶入射场时，T＝集群中的目标数量-1。

进一步地，所述步骤S6中，雷达散射截面的定义如下：

其中，r为观测点至目标的距离，E_s为指定观测方向上的集群目标的远区散射总场，E_i为集群目标初始入射场。

综上，本发明有效提高了计算速度和效率，并能实时地给出预测结果；同时本发明还能够给出目标间散射场的耦合过程；并且能够脱离模型进行计算，克服了传统的计算电磁学方法基于模型，无法脱离模型进行计算的问题。

上述说明示出并描述了本发明的一个优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于单目标极化散射矩阵的电大集群目标RCS计算方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1.配置集群目标场景信息：

集群中包含多个单目标，集群目标场景信息包括：集群中的各单目标信息、全局坐标系初始入射场和全局坐标系远区散射场的散射角；

所述集群中各单目标信息包括：单目标的全向极化散射矩阵数据库、等效原点坐标本地坐标系/>朝向，其中，单目标在集群中的本地坐标系的基矢方向与单目标全向极化散射矩阵数据库中的坐标系基矢方向相同；所述单目标全向极化散射矩阵数据库包括：四维空间中，按照设定间隔进行等间隔采样获得的所有网格节点上的该单目标的极化散射矩阵；每个极化散射矩阵都包含四个元素，分别是垂直收-垂直发的极化散射系数S_θθ、垂直收-水平发的极化散射系数/>水平收-垂直发的极化散射系数/>和水平收-水平发的极化散射系数/>所述四维空间是指入射场波矢在极角∈[0°,90°]、方位角∈[0°,360°]，散射场波矢在极角∈[0°,90°]、方位角∈[0°,360°]时形成的四维空间；

所述初始入射场是一个矢量，包含场强和全局坐标系下的入射角；

初始化n＝1，将n＝1时各个单目标的n阶入射场均设置为初始入射场；

S2.依次获取集群内各单目标的极化散射系数和第n阶远区散射场；

S3.对所述集群目标中所有目标的远区散射场按照极化方向进行叠加，得到所述集群的第n阶远区散射场，判断集群的第n阶远区散射场是否小于预先设定的阈值：

若是，将当前的n记为N，进入步骤S5；

若否，进入步骤S4；

S4.对所述集群目标中的每一个目标，计算除该目标外的所有其他目标的第n阶远区散射场的和，将此散射场的和定义为该目标的第n+1阶入射场；然后对n进行更新：n＝n+1，即更新后的n等于更新前的n加1，返回步骤S2；

S5.对所述集群目标的1～N阶远区散射场按照全局坐标系下的极化方向进行叠加，得到观测方向上的集群目标的远区散射总场；

S6.根据雷达散射截面的定义式，计算多目标场景的雷达散射截面σ。

2.根据权利要求1所述的一种基于单目标极化散射矩阵的电大集群目标RCS计算方法，其特征在于：所述步骤S2包括：

S201.将当前的入射场波矢在全局坐标系的入射角(Θ_ix,Φ_ix)转换为在目标本地坐标系/>的入射角/>入射角(Θ_ix,Φ_ix)中，Θ_ix和Φ_ix分别表示入射场波矢在全局坐标系中的极角和方位角；入射角/>中θ_ix、/>分别表示入射场波矢在目标本地坐标系中的极角和方位角；

同时，将全局坐标系远区散射场的散射角(Θ_sx,Φ_sx)转换为在目标本地坐标系的散射角/>散射角(Θ_sx,Φ_sx)中，Θ_sx和Φ_sx分别表示散射场波矢在全局坐标系中的极角和方位角；散射角/>中θ_sx、/>分别表示散射场波矢在目标本地坐标系中的极角和方位角；

S202.基于各单目标的全向极化散射矩阵数据库，通过直接调用的方式，以S201矢量变换得到的局部坐标系入射角和远场观测角/>为索引，得到所述集群目标中任一单目标在当前入射和散射方向上的极化散射系数/>

S203.通过极化散射系数和给定入射场，得到所述集群目标中任一单目标的远区散射场。

3.根据权利要求2所述的一种基于单目标极化散射矩阵的电大集群目标RCS计算方法，其特征在于：所述步骤S201中，当前的入射场波矢在全局坐标系/>的入射角(Θ_ix,Φ_ix)与在目标本地坐标系/>的极角和方位角/>的转换方式如下：

目标本地坐标系方向基矢与全局坐标系方向基矢/>之间满足以下关系：

入射场波矢在集群全局坐标系下表示为：

入射场波矢在目标本地坐标系下表示为：

将集群全局坐标系入射角(Θ_ix,Φ_ix)转换为目标本地坐标系入射角的公式为：

θ_ix＝arccos[k_iw]

其中，

同理，当前的散射场波矢在全局坐标系/>的散射角(Θ_sx,Φ_sx)与目标本地坐标系/>的散射角/>的转换方式如下：

目标本地坐标系方向基矢与全局坐标系方向基矢/>之间满足以下关系：

散射场波矢在集群全局坐标系下表示为：

散射场波矢在目标本地坐标系下表示为：

将集群全局坐标系散射角(Θ_sx,Φ_sx)转换为目标本地坐标系散射角的公式为：

θ_sx＝arccos[k_sw]

其中，

4.根据权利要求3所述的一种基于单目标极化散射矩阵的电大集群目标RCS计算方法，其特征在于：所述步骤S202包括：

根据入射角和远场观测角得到索引直接调用数据库中的极化散射系数；调用流程为：

A1：计算数据库中与当前索引最接近的采样点公式为：

θ_s＝round(θ_sx/Δθ_s)*Δθ_s

θ_i＝round(θ_ix/Δθ_i)*Δθ_i

其中，单目标全向极化散射矩阵数据库的散射场波矢对极角的采样间隔为Δθ_s、对方位角的采样间隔为入射场波矢对极角的采样间隔为Δθ_i、对方位角的采样间隔为/>round(x)为向x最近整数取整的函数，即x四舍五入得到的整数；

A2：在单目标全向极化散射矩阵数据库中，在网格节点上的单目标的极化散射矩阵中的极化散射系数即为根据索引/>直接调用数据库得到的当前入射、散射方向上的极化散射系数/>

5.根据权利要求2所述的一种基于单目标极化散射矩阵的电大集群目标RCS计算方法，其特征在于：所述步骤S203中，由极化散射系数和给定入射场计算任一目标的远区散射场的公式如下：

其中，为单目标的远区散射场矢量，/>和/>分别为全局坐标系中的散射场场强垂直极化分量和水平极化分量，/>和/>分别为全局坐标系中的散射场垂直极化方向基矢和水平极化方向基矢，/>和/>分别为目标本地坐标系中的散射场垂直极化方向基矢和水平极化方向基矢；/>为入射场矢量，/>和/>分别为目标本地坐标系中的入射场场强垂直极化分量和水平极化分量，/>和/>分别为目标本地坐标系中的入射场垂直极化方向基矢和水平极化方向基矢；/>和/>分别为全局坐标系中的入射场和散射场波矢，/>为全局坐标系中的目标等效原点坐标，/>为全局坐标系中的空间任意点。

6.根据权利要求1所述的一种基于单目标极化散射矩阵的电大集群目标RCS计算方法，其特征在于：所述步骤S3和步骤S5中，远区散射场在全局坐标系下按照极化类型进行分类叠加，公式如下：

其中，t为集群中的目标编号，和/>分别为全局坐标系中的场垂直极化方向基矢和水平极化方向基矢，/>和/>分别为编号为t的目标的散射场在全局坐标系中的/>分量场强和/>分量场强；当计算集群的第n阶远区散射场时，T＝集群中的目标数量；当计算单目标的第n+1阶入射场时，T＝集群中的目标数量-1。

7.根据权利要求1所述的一种基于单目标极化散射矩阵的电大集群目标RCS计算方法，其特征在于：所述步骤S6中，雷达散射截面σ的定义如下：

其中，r为观测点至目标的距离，E_s为指定观测方向上的集群目标的远区散射总场，E_i为集群目标初始入射场。