CN114924245A

CN114924245A - 一种基于几何结构直接建立散射中心模型的方法

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Publication number: CN114924245A
Application number: CN202210387842.1A
Authority: CN
Inventors: 郭琨毅; 刘久祥; 陈彦锡; 盛新庆
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2022-04-13
Filing date: 2022-04-13
Publication date: 2022-08-19

Abstract

本发明公开了一种基于几何结构直接建立散射中心模型的方法，针对空气动力目标或弹道导弹目标网格文件的处理方案，对于平面曲面分别提取几何信息，通过网格文件直接计算该类型目标的几何信息，根据得到的空气动力目标或弹道导弹目标的几何信息以及该空气动力目标或弹道导弹目标的散射机理，完成散射中心模型的构建，本发明能够直接建立散射中心模型，具有节约计算资源、减少计算时间的效果。

Description

一种基于几何结构直接建立散射中心模型的方法

技术领域

本发明属于雷达目标特性建模的技术领域，具体涉及一种基于几何结构直接建立散射中心模型的方法。

背景技术

在高频区，雷达目标总散射场可以表示为若干个局部散射源贡献的相干叠加，这些局部源通常称为散射中心。散射中心的研究从20世纪50年代发展至今，伴随着雷达系统性能的提高以及电磁散射机理研究的深入，衍生出多种典型模型，包括点散射中心模型、衰减指数模型、基于几何绕射理论(GTD)的散射中心模型以及属性散射中心模型等。点散射中心模型作为早期的散射中心模型，由于其受限于当时的雷达分辨率，模型表达式中含有入射波频率、雷达方位角以及散射中心位置，但其幅值为常数，不够精确。衰减指数模型中考虑到了散射中心幅度的频率依赖因子和方位依赖因子，但还没有加入电磁散射机理的参数。基于GTD的散射中心模型中，引入了基于不同散射机理的幂函数项，但由于其不能描述散射中心随观测方位的变化，有很大的局限性。目前广泛使用的散射中心模型是属性散射中心模型，其在GTD的散射中心模型的基础上，增加了散射中心类型以及雷达观测方位关系对散射中心幅度的描述。

散射中心模型中包含的未知参数需要确定后才能形成完整的散射中心模型。提取散射中心参数常用的方法有两种，一种是依据目标回波估计散射中心模型中的参数，即逆向建模。该方法存在的问题是，当图像分辨率不高时，易产生混叠现象，限制了对散射中心参数的估计，当增加频带和观测角度范围时，计算量也相应增大。另一种方法是通过已知的几何结构和雷达参数，计算获得局部散射贡献，再通过参数化方法估计对应的散射中心参数，即正向建模。该方法的最大局限在于只能针对合作目标使用，对于非合作目标不能直接使用，只能在对其外形进行估计后使用。

目前针对雷达目标散射中心的正向建模方法有高频区雷达目标散射中心正向自动化建模方法，其主要步骤包括：

1.构建目标模型的CAD文件

2.对目标模型进行一级部件分区编号

3.在一级分区基础上对目标进行二级表面分区编号

4.将雷达入射平面波以射线形式平行射向得到的分区剖分后的网格模型，通过射线追踪和射线分集，找到强散射中心以及其来源

5.对强散射中心模型属性参数进行正向推算

上述方案中，由于在步骤4、步骤5中涉及了如射线分集与追踪以及物理光学法等，需要大量计算，占用了较多的计算资源且耗时较长。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于几何结构直接建立散射中心模型的方法，能够避免大量计算，直接建立散射中心模型。

实现本发明的技术方案如下：

一种基于几何结构直接建立散射中心模型的方法，包括以下步骤：

步骤一、读取并输入空气动力目标(如飞行器等)或弹道导弹目标(如弹头类目标)模型的网格文件；

步骤二、依据相邻三角面元的外法向量的连续性，区分所述目标模型中的平面区域与曲面区域；

步骤三、对于步骤二所述的平面区域，依据平面的轮廓信息，找其端点位置及边缘长度信息，作为平面区域的几何参数；

对于步骤二所述的曲面区域，通过找到曲面区域中存在的轮廓，将曲面区域划分为独立的局域曲面；

步骤四、对于步骤三所述的每一个局域曲面，依据曲率信息判断其为单曲面或为双曲面；

步骤五、对于步骤四所述的双曲面，基于曲率信息得到双曲面上的点的曲率半径，以步骤二的外法向量、双曲面上的点坐标以及各点的曲率半径作为双曲面的几何参数；

对于步骤四所述的单曲面，通过判断曲率的变化范围，将其判定为柱形单曲面或锥形单曲面，并基于曲率信息求解曲率半径，锥形或柱形单曲面在经过以轴向为z方向的坐标转换后，计算单曲面的几何参数；

步骤六、利用平面区域和曲面区域的几何参数以及该空气动力目标或弹道导弹目标的散射机理建立散射中心模型，无需再进行参数估计过程。该方法不涉及电磁计算的过程(高频或全波算法)，也无需参数估计的过程，建模过程直接，易实现建模的全自动化。

进一步地，所述曲率信息包括每个点的主曲率1、主曲率2、高斯曲率和平均曲率。

进一步地，所述单曲面的几何参数包括底面中心坐标、轴向、母线长、锥体半锥角信息。

有益效果：

1、本发明方法针对空气动力目标或弹道导弹目标网格文件的处理方案，对于平面曲面分别提取几何信息，通过网格文件直接计算该类型目标的几何信息，具有物理意义更明晰、直观简洁的效果。

2、本发明方法建立散射中心模型的过程，无计算以及参数估计过程，直接根据得到的空气动力目标或弹道导弹目标的几何信息，完成散射中心模型的构建，是散射中心模型结构层面上的分析，针对以往模型中复杂繁琐的计算过程进行了改进，具有直接、简单、自动化的效果。

3、本发明方法，对比已有技术，能够直接建立散射中心模型，具有节约计算资源、减少计算时间的效果。

附图说明

图1为本发明基于几何结构直接建立散射中心模型方法的总框架图。

图2为本发明实施例1几何模型图。

图3为本发明实施例1平面分区边缘中点结果图。

图4为本发明实施例1单曲面中心点结果图。

图5为本发明实施例1双曲面点结果图。

图6为本发明实施例1的雷达散射截面结果对比图。

图7为本发明实施例2几何模型图。

图8为本发明实施例2平面分区边缘中点结果图。

图9为本发明实施例2单曲面中心点结果图。

图10为本发明实施例2双曲面点结果图。

图11为本发明实施例2的雷达散射截面结果对比图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

一种基于几何结构直接建立散射中心模型的方法，如图1所示，其具体步骤包括：

步骤一、输入空气动力目标或弹道导弹目标网格文件：本发明实施例1为飞机模型，输入的目标对应的几何模型，如图2所示，输入网格文件可以得到目标的剖分三角形以及点坐标信息；

步骤二、依据相邻三角形外法向量的连续性，区分该飞机模型中包含的平面与曲面区域。

①由于网格文件中的剖分方式为每一面剖分完全后对下一个面进行剖分，基于此，将相邻编号的三角形的外法向量相减，若差值小于设定阈值，则认为这两个三角形在同一平面上，若差值大于设定阈值，则认为其分布在曲面上。

②过程中存在部分小曲面上的三角形外法向量同样满足阈值条件，因此需要对第一次筛选后的三角形进行二次筛选，筛选原则为对第一次筛选出的平面的面元数量进行统计，若面元数量小于阈值，则认为是曲面上的面元的误判情况。

③第三次筛选同样为了排除曲面上的面元引起的误差，筛选原则为对前两次筛选后的平面的外法向量进行方差求解，求解出的方差大于设定阈值，则认为其为曲面误判为平面，小于设定阈值则判定其为平面。在三次筛选后，判定为平面的连续三角面元编号认为它们在同一平面上。在全部三角面元编号中，筛选出平面后，剩余的连续三角形面元编号认为其均在同一曲面区域中；

步骤三、处理每个平面上的三角面元，得到该飞机目标的平面的几何信息。

①由于在同一平面上，所有三角面元的剖分信息中，仅出现一次的边为轮廓上的边。在同一平面上，可能存在内部轮廓与外部轮廓，在判断时，取面积更大的轮廓为外部轮廓。

②得到轮廓信息后，对轮廓上的边进行共线判断，同一直线上的边舍弃中间点，目的是得到平面的端点坐标。在此方法下，对于圆形平面，可以将其近似为多边形，得到多个顶点坐标。得到顶点坐标后，易求得平面每一边的边长，最后记录每一平面对应的外法向量以及端点坐标及边长；

细化该飞机目标中，每一曲面区域的三角面元，得到曲面局域信息。由于每一个曲面区域并没有更细致划分，其中可能包含多个曲面局域，因此需要对其细化。细化原则为：找到曲面区域中所包含的轮廓，如果没有轮廓，则证明该曲面区域应为一个完全闭合的局域，无需再次细化。如果曲面区域中包含多个轮廓，则证明该曲面区域中包含多个曲面局域，依据曲面轮廓及三角形面元的邻边关系，反推出每一个曲面局域上所包含的三角面元的编号。

步骤四、对于该飞机目标中的每一个曲面局域，通过曲率将其分解为单曲面或双曲面型，而后分别处理。由于单曲面的主曲率中，较大主曲率为曲率半径的倒数，较小主曲率近似为0；双曲面中，两个主曲率值相等，且均为曲率半径的倒数。基于此，求解出曲面上每一点的曲率后，可以将每一个曲面局域上的曲面判定为单曲面或是双曲面。本发明中，当主曲率的差值大于设定阈值，且较小主曲率小于设定阈值时，判定该点在单曲面上。通过三角形的编号连续性，将每一个曲面局域中包含的单曲面和双曲面区分开。

步骤五、对于单曲面和双曲面分别处理其面元信息，得到建立散射中心模型时所需的几何参数。

①对于双曲面，需要得到双曲面上每一个三角面元的中心点坐标、该面元的外法向量以及该面元三个点的曲率半径的平均值。

②对于单曲面，由于柱形单曲面和锥形单曲面提取信息的方法不完全相同，因此先进行柱形单曲面和锥形单曲面的区分。

③对于柱形单曲面而言，其曲面上的曲率值单一。柱形单曲面的几何信息提取中，首先通过找到外法向量近似平行的三角面元，这些面元的中心点坐标所在的直线即为轴线方向。柱形单曲面的半径值为曲率的倒数。将柱形单曲面的轴向作为坐标转换中的z轴方向，转换坐标系后，可以通过找到z方向上的最低层坐标，找到柱形单曲面的底面中心点坐标。

④对于锥形单曲面，首先找到曲率相等的两层点，分别通过它们的坐标以及曲率半径，计算出所在层的中心点坐标。中心点所在直线即为轴向。以锥形单曲面的轴向作为坐标转换中的z轴方向，转换坐标系。对于锥形单曲面，需要提取的信息包括其最大半径、母线长度、半锥角、底面中心坐标。底面中心坐标即为转换坐标系后的最低层的中心点坐标。最大半径为转化坐标系后，所有点在z方向上投影的最大值。锥形单曲面的高度为z方向上的最大距离。通过高度以及最大半径和最小半径，可以用勾股定理求出锥形单曲面的母线长以及半锥角大小，具体的单曲面几何信息比对情况如表1所示；

表1

步骤六、得到该飞机目标的几何信息后，构建散射中心模型。采用属性散射中心模型，其表达式为：

其中：i＝1…N为散射中心序号，A_i为第i个散射中心对应的散射中心散射幅度，对于双曲面，

其中r为双曲面的曲率半径；对于单曲面，

其中λ为入射波波长、r为单曲面的曲率半径；对于平面，

其中，k为波数、A为平面的面积。f为入射波频率，f_c为中心频率，α_i为第i个散射中心对应的频率依赖因子，γ_i为局部型散射中心的幅度衰减因子，

为雷达视线的空间角，是雷达视向的俯仰角和方位角的函数。c为光速，L_i表示分布型散射中心的长度，

为散射中心的可观测角度，

为散射中心位置矢量，

表示本地坐标系中的雷达视线方向矢量。

对于模型中的散射中心位置参数，平面的每个边缘都可以看作是一个单独的散射中心，其位置在中点处。图3标注了本发明实施例的平面的边缘中心点坐标。对于单曲面，其散射中心位置在有效反射区的母线中点处，如图4所示。对于双曲面，其散射中心位置即为有效反射区的中心点处，图5标注了模型中全部的双曲面上的点的位置，根据雷达入射波参数可以计算出其有效反射区处的中心点位置；最后通过本发明对实施例的散射中心建模结果进行了雷达散射截面(RCS)的结果比对，Matlab结果为依据本发明计算出的RCS结果，FEKO为通过光学物理方法计算的飞机目标实际RCS结果，结果比对图如图6所示。基于上述流程，对烈火弹头目标进行了仿真，烈火弹头目标的几何模型如图7所示，其几何参数及实测参数结果比对如表2所示。

表2

图8–图10为基于本方法得到的烈火弹头目标的平面、单曲面及双曲面的等效点标注。图11为本发明对弹头目标的RCS结果比对，Matlab结果为依据本发明计算出的RCS结果，FEKO为通过光学物理方法计算的飞机目标实际RCS结果。

自此，就完成了基于几何结构直接建立散射中心模型的整个过程。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于几何结构直接建立散射中心模型的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、读取并输入空气动力目标或弹道导弹目标模型的网格文件；

步骤六、利用平面区域和曲面区域的几何参数以及该空气动力目标或弹道导弹目标的散射机理建立散射中心模型。

2.如权利要求1所述的一种基于几何结构直接建立散射中心模型的方法，其特征在于，所述曲率信息包括每个点的主曲率1、主曲率2、高斯曲率和平均曲率。

3.如权利要求1所述的一种基于几何结构直接建立散射中心模型的方法，其特征在于，所述单曲面的几何参数包括底面中心坐标、轴向、母线长、锥体半锥角信息。