CN115169170A - 一种基于非均匀网格模型的复合目标散射半解析快速计算方法 - Google Patents

一种基于非均匀网格模型的复合目标散射半解析快速计算方法 Download PDF

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CN115169170A CN202210624950.6A CN202210624950A CN115169170A CN 115169170 A CN115169170 A CN 115169170A CN 202210624950 A CN202210624950 A CN 202210624950A CN 115169170 A CN115169170 A CN 115169170A
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Abstract

本发明公开了一种基于非均匀网格划分和PO‑EEC‑IEM‑ASC‑FPM方法的复合目标散射快速计算方法：对于目标和粗糙面进行大网格剖分，利用PO‑EEC和IEM‑ASC求解；对于具有耦合效应的目标网格则进行加密，利用FPM求解，最大化减小了模型的未知数；同时，在进行耦合求解时，采用只计算一个加密耦合型面元的耦合散射幅度，解析得到所有耦合幅度，减少了重复计算的次数，显著提高复合场景散射总场的计算效率。

Description

一种基于非均匀网格模型的复合目标散射半解析快速计算 方法
技术领域
本发明涉及电磁散射计算技术领域，具体涉及一种超电大复杂环境中目标复合散射特性的高效计算。
背景技术
复杂环境中目标复合散射的快速准确计算是电磁仿真领域中急需解决的重要问题。在实际应用中，与粗糙地物背景相耦合的复杂雷达目标是最常见的复合场景之一。但是目标及其背景的结构复杂，电尺寸远远大于入射波长(电尺寸达到上千个波长时称为超电大)，且地物背景具有多尺度性、随机性和粗糙性等特点，给复合场景散射特性，尤其是目标和粗糙背景间耦合散射的准确高效电磁仿真带来了巨大挑战。
当前用于仿真粗糙背景与目标复合散射的技术方法包括全波法、高频算法、高频-全波混合算法及高频-高频混合算法等四类仿真方法。每类仿真方法的典型技术如下：
1.全波数值算法有矩量法(MoM)、时域有限差分(FTDT)和有限元法(FEM)等，为了提升传统全波方法的计算效率，又提出了如多层快速多极子(MLFMA)、区域分解技术(DDM)和混合有限元-边界元方法和多层快速多极子的合元极技术(FE-BI-MLFMA)技术等。
2.高频方法有弹跳射线法(SBR)、几何光学法(GO)、物理光学法(PO)、积分方程法(IEM)、基尔霍夫近似法(KA)、微扰法(SPM)、四路径模型(FPM)和迭代物理光学法(IPO)等。
3.高频-全波混合算法是为了提高全波算法的效率而提出的混合算法，典型的高频-全波混合算法有混合基尔霍夫近似法和矩量法的KA-MoM方法、混合物理光学法与多层快速多极子法的PO-MLFMA方法和混合有限元、边界元和基尔霍夫法的FE-BI-KA方法等。
4.高频-高频混合方法：由于高频方法通常具有一定适用性范围，此类方法可以提高单一高频方法的适用范围。典型的有混合物理光学法与弹跳射线法的PO-SBR方法、混合几何光学法\物理光学法\物理绕射理论\基于毛细波修正的面元模型和多路径模型的GO\PO\PTD-CWMFSM方法等和混合物理光学法与迭代物理光学法的PO-IPO法等。
虽然全波数值方法可以满足复合目标散射特性仿真的准确性，但在仿真超电大复合场景模型时需要占用超大计算资源，且计算过程耗时，如使用自对偶积分方程矩量法(SDIE-MoM)计算一个100λ的海面-舰船复合场景，每一个复合目标模型的计算时间需要37分钟，因此全波方法难以实现超电大复合目标散射特性的高效仿真，无法满足实际工程需求。
相比于全波数值方法，高频方法在复合散射仿真求解在效率上有着优势。但高频方法有一定的适用性限制，如PO法和IEM法只能计算目标和粗糙面的单次散射，而目标-粗糙面之间的多次散射需要借助SBR、IPO法等高频方法进行计算，缺少能够直接计算复合目标的高频算法。
全波-高频混合算法利用全波算法计算目标和耦合散射，利用高频法计算粗糙面散射，在保证精度的同时提高了一定的计算效率，如使用KA-MoM法计算粗糙面与上方导弹复合的目标，效率上比全波法效率上提高了6.6倍。
高频-高频混合算法利用不同的高频方法解决不同的回波成分，其在效率上比全波-高频混合算法有了进一步提升。以PO-SBR混合法为例，计算电尺寸200个波长的海面和舰船复合场景的双站散射特性的效率比矩量法提升了91.8倍。因此，高频-高频混合算法更适合解决超电大复合目标散射的快速计算。
通常，高频-高频混合算法通常将复合场景的回波分为3部分：1.独立的目标回波；2.独立的场景回波。3.目标和场景间的多次散射成分；混合算法的本质即为针对不同的回波分量采用针对性的散射模型进行仿真和修正。比如在PO-SBR方法中，目标的单次散射分量利用PO法计算；粗糙背景的单次散射分量利用PO修正幅度的面元模型进行计算；目标和粗糙背景之间的耦合散射分量利用SBR计算。GO\PO\PTD-CWMFSM混合算法中，采用GO\PO\PTD计算独立目标散射分量，采用CWMFSM计算背景粗糙面散射分量，采用四路径模型计算耦合散射分量。
但是，在采用射线类方法如SBR、FPM求解目标与背景的耦合散射时，需要确保目标的耦合型网格具有电小尺寸(通常产生耦合效应的网格尺寸或散射中心长度需要小于1/5波长)，才能减小网格/散射中心高度误差引起的耦合散射路径误差，使得网格数量增多，未知数增大。在采用电流迭代法如IPO求解目标与背景的耦合散射时，要不断考虑每个面元电流的影响，计算复杂度更高，计算时间更长，严重降低了超电大复合目标电磁散射的仿真效率。因此超电大复合场景的电磁散射高效准确计算仍然是亟待解决的科学难题。
发明内容
有鉴于此，本发明根据复合场景的电磁散射特性，提出一种非均匀-半解析处理复合场景网格模型，分别用混合物理光学法和等效电流法(PO-EEC)、基于积分方程法模型法修正的面元散射中心模型(IEM-ASC)和四路径模型(FPM)，模拟复合场景的独立目标散射、粗糙背景散射和耦合散射分量，可适用于地物环境中复杂目标的雷达回波快速仿真及雷达遥感技术。
本公开提供一种基于非均匀网格模型的复合目标散射半解析快速计算方法，包括以下步骤：
获取或构建独立目标网格模型，及粗糙背景地形网格模型；
判断目标网格边缘结构；
利用混合物理光学法和等效电流法建立独立目标的散射回波；
利用基于积分方程法的面元模型建立粗糙背景地形的回波；
对目标网格中的耦合区网格进行均匀加密，使用半解析四路径模型对目标和背景之间的多次散射进行计算；
将所述独立目标的散射回波，粗糙背景地形的回波，以及目标和背景之间的多次散射进行求和，获得复合目标的散射场。
进一步地，所述确定目标网格边缘结构的步骤，具体方法包括：
读取目标网格文件，确定所有网格所对应的顶点坐标；
求解每一个网格的每一个边缘向量，利用边缘向量求解网格外法向矢量；
遍历寻找所有具有两个相同网格顶点编号的网格，定义为相邻网格；
求解每组相邻网格外法向矢量的夹角，夹角满足一定条件的判定为边缘结构，获取该网格边缘端点和两侧面元的外法向量。
进一步地，所述利用混合物理光学法和等效电流法建立独立目标的散射回波的步骤，具体方法包括：
剖分为网格模型的独立目标散射回波，等效为所有网格面散射分量和所有边缘结构产生的绕射分量叠加而成：
Figure BDA0003676690770000041
其中，
Figure BDA0003676690770000042
为独立目标散射回波，
Figure BDA0003676690770000043
为第i个网格的面散射场，
Figure BDA0003676690770000044
为第j条边缘的绕射场，I和J分别表示为网格个数和边缘个数；
采用简化后的PO围线积分公式计算面散射分量：
Figure BDA0003676690770000045
其中，
Figure BDA0003676690770000051
表示网格外法向量；
Figure BDA0003676690770000052
表示为单位接收方向；
Figure BDA0003676690770000053
T为
Figure BDA0003676690770000054
在平板平面上的投影长度，M为平板边缘总数，
Figure BDA0003676690770000055
是源点的位置矢量，
Figure BDA0003676690770000056
表示平板第m个边的长度和方向，
Figure BDA0003676690770000057
为平板上与
Figure BDA0003676690770000058
垂直的单位方向；
利用EEC计算边缘结构的绕射分量：
Figure BDA0003676690770000059
Figure BDA00036766907700000510
其中，
Figure BDA00036766907700000511
为边缘的方向矢量，η0为自由空间阻抗，
Figure BDA00036766907700000512
和
Figure BDA00036766907700000513
分别代表垂直和水平极化方向，
Figure BDA00036766907700000514
和
Figure BDA00036766907700000515
分别为边缘的起点和终点，
Figure BDA00036766907700000516
为边的中点，IPTD和MPTD分别为边缘的绕射电流和绕射磁流。
进一步地，所述利用基于积分方程法的面元模型建立粗糙背景地形的回波，具体方法包括：
将粗糙面以成像分辨率为尺寸剖分为电大网格，每个网格可视为点散射中心，每个散射中心的幅度由积分方程法模型法批量求解：
Figure BDA00036766907700000517
其中，
Figure BDA00036766907700000518
为粗糙面散射场，N为粗糙面元个数，k为波数，rn为电大网格的位置矢量，r′为入射波矢量，exp(jψ)为随机相位修正项，当网格为电大尺寸网格时需要加入，ψ的范围为[0:2π]，An为电大网格散射场的振幅。
进一步地，所述对目标网格中的耦合区网格进行均匀加密的步骤，具体包括：
求解入射法矢在xy平面中的投影，并逐一求解与网格外法向量的夹角，当夹角为0时，判定该网格为耦合区网格，其与背景散射回波存在耦合；
根据所提取网格的顶点坐标，对存在耦合的电大网格进行均匀加密。
进一步地，所述使用半解析四路径模型对目标和背景之间的多次散射进行计算的步骤，具体包括：
根据耦合区网格的坐标判断是否共面，根据是否共面将耦合区网格分集；
利用四路径模型求解每一网格集中一个网格的耦合散射场
Figure BDA0003676690770000061
该网格集的耦合散射场为：
Figure BDA0003676690770000062
其中，
Figure BDA0003676690770000063
为该网格集中所有网格的幅度，φi为第i个耦合型网格的相位；
将所有网格集的耦合散射场叠加得到总体的耦合散射场，即目标和背景之间的多次散射。
进一步地，所述计算方法还包括模型校验的步骤，具体包括：
将所述复合目标的散射场与全波数据相互验证，当RCS均值误差小于3dB时，散射模型成立；
当RCS均值误差大于3dB，重新进行目标边缘结构确定和各散射分量求解。
进一步地，所述计算方法，还包括根据所述复合散射回波数据，计算SAR或ISAR图像的步骤。
进一步地，所述计算方法，还包括根据独立目标网格模型，及粗糙背景地形网格模型，生成复合目标的电大网格模型的步骤。
可见，本公开提供的复合目标散射计算方法，根据不同方法对网格尺寸的要求，对复合目标模型进行非均匀剖分处理，构建了基于PO-EEC-IEM-ASC-FPM建立复合场景回波的方法：对于目标和粗糙面进行大网格剖分，利用PO-EEC和IEM-ASC求解；对于具有耦合效应的目标网格则进行加密，利用FPM求解，最大化减小了模型的未知数；同时，在进行耦合求解时，根据PO法中法矢相同散射幅度也相同的特性，提出只计算一个加密耦合型面元的耦合散射幅度，解析得到所有耦合幅度，减少了重复计算的次数，显著提高复合场景散射总场的计算效率。
与现有技术相比，本公开的有益效果是：①将非均匀网格-半解析处理的概念引入电磁波散射建模，不同方法使用不同尺寸的网格，在保证精度的同时最大化减小未知数；②将半解析的概念引入电磁波散射建模，通过计算一个面元的耦合散射幅度解析得到整体目标的耦合散射场；③根据目标网格模型判断边缘结构，分别利用PO和EEC考虑目标面反射和边缘绕射；④提出基于积分方程法的散射中心模型，将粗糙面散射场进行参数化表示，最终得到参数化模型与高频模型混合的高频混合散射模型；⑤通过模型校验和成像，验证计算的正确性。
附图说明
图1为本公开所述复合目标散射模型计算方法流程图；
图2(a)和(b)分别为算例一的目标模型和背景模型；
图3为算例一的驱逐舰-海面复合场景模型；
图4为缩小20倍的驱逐舰目标整体以一个波长网格剖分，对边缘结构进行判定后，所有网格中心点和边缘结构中点；
图5为对图4中的耦合区域加密为1/5波长网格后，所有网格中心点和边缘中点示意图；
图6为缩小20倍的驱逐舰-二级海面复合场景模型利用本公开方法与全波结果的RCS对比结果；
图7为驱逐舰-二级海面复合场景模型的SAR成像结果；图7(a)为驱逐舰目标以12.5个波长剖分的SAR结果；图7(b)为驱逐舰目标以12.5个波长剖分并对耦合区域加密为1/5个波长的SAR结果；
图8(a)和(b)分别为算例二目标模型和背景模型；
图9为算例二的坦克-沙漠复合场景模型；
图10为坦克整体以1/2个波长网格剖分，判断边缘结构后的网格中心点和边缘结构中点；
图11为将耦合区域中的网格加密到1/5个波长后的网格中心点和边缘结构中点；
图12为坦克-沙漠复合场景模型利用本公开方法与全波结果的RCS对比结果；
图13a)和(b)分别为坦克-沙漠复合场景ISAR成像结果；图13(a)为坦克目标整体以1/2波长剖分的ISAR结果；图13(b)为坦克目标以1/2波长剖分并对耦合区域加密的ISAR结果。
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。
附图1显示根据本公开的复合目标散射计算方法示例性实施例流程图，包括以下步骤：
步骤一，利用商业CAD软件CATIA，建立独立目标的缩比几何模型并剖分成网格文件；使用Monte-Carlo法，建立粗糙背景地形网格模型。
作为优选，示例性实施例中还将独立目标网格模型和背景地形的网格模型导入FEKO，生成复合目标的网格模型(电大网格)，用于视觉上呈现整体模型。
步骤二，判断目标网格边缘结构：
读取目标网格文件，确定所有网格所对应的顶点坐标；
求解每一个网格的每一个边缘向量，利用边缘向量求解网格外法向矢量；
遍历寻找所有具有两个相同网格顶点编号的网格，定义为相邻网格；
求解每组相邻网格外法向矢量的夹角，夹角满足一定条件既判定为边缘结构，获取该网格边缘端点和两侧面元的外法向量。
步骤三，利用混合物理光学法和等效电流法(PO-EEC)建立独立目标的散射回波：
对于剖分为网格模型目标的散射回波，等效成所有网格面散射分量和所有边缘结构产生的绕射分量叠加而成，由公式(1)所示
Figure BDA0003676690770000091
其中，I和J分别表示为网格个数和边缘个数。
优选采用简化后的PO围线积分公式计算面散射分量，其表达式如下，
Figure BDA0003676690770000092
其中
Figure BDA0003676690770000093
为第i个网格的面散射场，
Figure BDA0003676690770000094
表示网格外法向量；
Figure BDA0003676690770000095
表示为单位接收方向；
Figure BDA0003676690770000096
T为
Figure BDA0003676690770000097
在平板平面上的投影长度，M为平板边缘总数，
Figure BDA0003676690770000098
是源点的位置矢量，
Figure BDA0003676690770000099
表示平板第m个边的长度和方向，
Figure BDA00036766907700000910
为平板上与
Figure BDA00036766907700000911
垂直的单位方向。当T＝0时，公式(2)化简为：
Figure BDA00036766907700000912
优选利用EEC计算边缘结构的绕射分量，其表达式如下：
Figure BDA00036766907700000913
Figure BDA00036766907700000914
其中，
Figure BDA00036766907700000915
为第j条边缘的绕射场，
Figure BDA00036766907700000916
为边缘的方向矢量，η0为自由空间阻抗，
Figure BDA00036766907700000917
和
Figure BDA00036766907700000918
分别代表垂直和水平极化方向，
Figure BDA00036766907700000919
和
Figure BDA00036766907700000920
分别为边缘的起点和终点，
Figure BDA00036766907700000921
为边的中点。IPTD和MPTD分别为边缘的绕射电流和绕射磁流，由公式(6)到公式(14)所示，下标1和2分别表示上表面和下表面，上标PO和PTD分别代表面分量和边缘分量。
Figure BDA0003676690770000101
Figure BDA0003676690770000102
Figure BDA0003676690770000103
Figure BDA0003676690770000104
Figure BDA0003676690770000105
Figure BDA0003676690770000106
Figure BDA0003676690770000107
Figure BDA0003676690770000108
Figure BDA0003676690770000109
其中，
Figure BDA00036766907700001010
为入射电场矢量；
Figure BDA00036766907700001011
的入射磁场矢量；k是入射波的波数；U(x)是阶跃函数。计算等效电流
Figure BDA00036766907700001012
与等效磁流
Figure BDA00036766907700001013
可以通过替换(7)-(14)式中的
Figure BDA00036766907700001014
βs→π-βs、βi→π-βi、
Figure BDA00036766907700001015
来得到。
步骤四，利用基于积分方程法的面元模型建立粗糙背景地形的回波：
对于粗糙面回波，可采用蒙特-卡罗法(Monte-Carlo)生成粗糙面，再通过参数化面元模型进行建模。在参数化建模方面，优选将粗糙面以成像分辨率为尺寸剖分为电大网格(若只计算RCS，不进行成像，网格尺寸可更大)，每个网格可视为点散射中心，每个散射中心的幅度由积分方程法模型法(IEM)批量求解。
积分方程法粗糙背景的散射场由公式(15)所示：
Figure BDA00036766907700001016
其中k为波数，rn为电大网格的位置矢量，r′为入射波矢量，exp(jψ)为随机相位修正项，当网格为电大尺寸网格时需要加入，ψ的范围为[0:2π]，An为电大网格散射场的振幅，由公式(16)所示。
Figure BDA0003676690770000111
其中，Sn为网格面积，σIEM(θi′)为积分方程法粗糙网格的散射系数，其表达形式由公式(17)所示。
Figure BDA0003676690770000112
其中，θi′为定义在局部坐标系中的入射角，局部坐标系区别于全局坐标系，以电大网格的法矢
Figure BDA0003676690770000113
为z轴，y轴可以表示成
Figure BDA0003676690770000114
为入射矢量，θi′即为入射矢量与局部坐标系z轴的夹角；k＝2π/λ为波数，δ是粗糙面元的均方根高度，下角标p表示水平极化(HH)或者垂直极化(VV)，W(n)是粗糙表面的功率谱，
Figure BDA0003676690770000115
的表达式如下：
Figure BDA0003676690770000116
Figure BDA0003676690770000117
Figure BDA0003676690770000118
Figure BDA0003676690770000119
其中，
sq＝(μrεr-sin2θi′)1/2,sqs＝(μrεr-sin2θs′)1/2
Tv＝1+RVV,Tvm＝1-RVV,Th＝1+RHH
Thm＝1-RHH,Tp＝1+R′,Tm＝1-R′
Figure BDA00036766907700001110
上式中，μr和εr分别表示粗糙面的磁导率和介电参数。
步骤五，对处在目标和背景耦合散射区的网格，进行均匀加密：
求解入射法矢
Figure BDA0003676690770000121
在xy平面中的投影，并逐一求解与网格外法向量
Figure BDA0003676690770000122
的夹角，当夹角为0时，判断该网格为耦合区网格；
为减小电大网格所引起的多次散射路径误差，根据所提取网格的顶点坐标对该电大网格进行均匀加密，优选方法为：
以一个长宽各为Lx和Ly的矩形网格为例，设中心点在原点，当横向方向加密2m倍，纵向方向加密2n倍时，加密后的每个网格中心点坐标为：(±(Lx/2m+(Lx/4m)×(m-1)),±(Ly/2n+(Ly/4n)×(n-1)))；
该区域中，加密后的面元编号可以从左向右、从上到下排列。
步骤六，基于步骤五加密后的目标网格模型，使用半解析四路径模型对目标和背景之间的多次散射进行计算：
将目标和背景间的多次散射等效为目标-粗糙面、粗糙面-目标和粗糙面-目标-粗糙面三个分量，与目标单次散射合称四路径，在雷达入射角θ＝30°～50°之间有着良好效果。散射中心-背景耦合场表达式如下，
Figure BDA0003676690770000123
其中,
Figure BDA0003676690770000124
为粗糙面反射系数，θ为全局坐标系下的入射角，L2、L3和L4为分别为第二、三和四路径的额外路径，且有
L2＝2hcosθ,L3＝L2,L4＝2L2 (21)
公式中，h为面元高度；最终将所有散射中心的耦合场叠加，计算目标与背景之间的散射。
作为优选：根据耦合区网格的坐标判断是否共面，并根据是否共面将耦合型网格分集；
利用公式(20)求解每一个网格集中的一个网格的耦合散射场
Figure BDA0003676690770000131
其中Esc利用公式(2)求解，则该网格集中所有网格的幅度可写为
Figure BDA0003676690770000132
该网格集的耦合散射场可以表示为
Figure BDA0003676690770000133
其中φi为第i个耦合型网格的相位；
将所有网格集的耦合散射场叠加得到总体的耦合散射场。
步骤七，将步骤三、四、六的散射分量求和，获得复合目标的散射场。
作为优选，示例性实施例还包括以下步骤：
步骤八，模型校验：
将得到的复合目标散射场与全波数据相互验证，当RCS均值误差小于3dB时，散射模型成立；当RCS均值误差大于3dB，返回步骤二，重新判定边缘结构和对各散射分量求解。
步骤九：根据验证过的复合散射回波数据，计算SAR或ISAR图像。
应用示例：
算例一：驱逐舰-海面模型
建立驱逐舰-海面复合目标CAD模型如图3所示，舰船总长179.4m，其中三角形船头长69m，最大宽度12m，最大高度26.4m，吃水深度1m如图2(a)所示；海面为200×200m的二级海面，图2(b)为由A.K.Fung谱形成的双尺度海谱，风速为5m/s，介电参数为80.7+i20.7。另外，为节约全波法计算资源，在对比RCS时将复合目标尺寸整体缩小20倍。
对目标进行散射求解时，将目标剖分为大面元模型，面元尺寸12.5个波长，利用PO法求解每一个面元的散射场；根据相邻面元法矢夹角判断面元是否共面，当夹角大于10°时判断为两网格之间存在边缘结构，用EEC求解绕射场，判断边缘结构的结果如图4所示，黑色点代表目标网格中心点，红色点代表边缘结构的中点。利用基于IEM的散射中心模型求解海面散射场，每一个海面面元尺寸为3m。利用入射法矢和面元法矢在xy平面上的投影夹角判断是否为耦合区网格，当两者平行时，判断该网格为耦合区网格；对耦合区网格进行均匀加密，加密后面元尺寸为1/5个波长；求解第一个网格的四路径耦合幅度，将该幅度定义为所有耦合区网格的幅度，配合耦合区网格的相位求解耦合散射场，加密处理后的结果如图5所示，蓝色点代表加密后耦合区网格的中心点，复合场景RCS如图6所示，本公开所述方法与全波法结果的RCS均值误差为1.77dB。
当星载SAR雷达参数如下表所示时，最终得到VV极化下的SAR像结果见图7(a)和图7(b)所示，图7(a)为不考虑多次散射效应的SAR像，图7(b)考虑多次散射效应的SAR像，可见考虑多次散射分量时，会在照射一侧出现重影，图7(b)成像耗时约为3小时。
Figure BDA0003676690770000141
算例二：坦克-沙漠模型
建立坦克-沙漠复合目标CAD模型如图8所示，坦克模型总长为7.92m，其中坦克车体长6.79m，炮筒长4.12m，总宽为3.56m，总高为1.92m，其中车体高1.42m；沙漠场景沿x轴长10m，沿y轴长16m。其粗糙度参数由下表所示。
Figure BDA0003676690770000151
坦克目标以1/2波长剖分，边缘判断结果和加密结果分别如图10和图11所示，判定和加密结果良好；沙漠粗糙面面元尺寸为0.75m，RCS对比如图12所示，本公开方法与全波法结果的RCS均值误差为0.96dB。当用下表的ISAR参数进行成像时，结果如图13(a)和(b)分别为不加四路径和加四路径的成像效果，可见考虑多次散射分量，会在照射一侧出现重影，图13(b)成像耗时为350s。
Figure BDA0003676690770000152
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 (9)

1.一种基于非均匀网格模型的复合目标散射半解析快速计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取或构建独立目标网格模型，及粗糙背景地形网格模型；
判断目标网格边缘结构；
利用混合物理光学法和等效电流法建立独立目标的散射回波；
利用基于积分方程法的面元模型建立粗糙背景地形的回波；
对目标网格中的耦合区网格进行均匀加密，使用半解析四路径模型对目标和背景之间的多次散射进行计算；
将所述独立目标的散射回波，粗糙背景地形的回波，以及目标和背景之间的多次散射进行求和，获得复合目标的散射场。
2.如权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述确定目标网格边缘结构的步骤，具体方法包括：
读取目标网格文件，确定所有网格所对应的顶点坐标；
求解每一个网格的每一个边缘向量，利用边缘向量求解网格外法向矢量；
遍历寻找所有具有两个相同网格顶点编号的网格，定义为相邻网格；
求解每组相邻网格外法向矢量的夹角，夹角满足一定条件的判定为边缘结构，获取该网格边缘端点和两侧面元的外法向量。
3.如权利要求2所述的计算方法，其特征在于，所述利用混合物理光学法和等效电流法建立独立目标的散射回波的步骤，具体方法包括：
剖分为网格模型的独立目标散射回波，等效为所有网格面散射分量和所有边缘结构产生的绕射分量叠加而成：
Figure FDA0003676690760000011
其中，
Figure FDA0003676690760000012
为独立目标散射回波，
Figure FDA0003676690760000013
为第i个网格的面散射场，
Figure FDA0003676690760000014
为第j条边缘的绕射场，I和J分别表示为网格个数和边缘个数；
采用简化后的PO围线积分公式计算面散射分量：
Figure FDA0003676690760000021
其中，
Figure FDA0003676690760000022
表示网格外法向量；
Figure FDA0003676690760000023
表示为单位接收方向；
Figure FDA0003676690760000024
T为
Figure FDA0003676690760000025
在平板平面上的投影长度，M为平板边缘总数，
Figure FDA0003676690760000026
是源点的位置矢量，
Figure FDA0003676690760000027
表示平板第m个边的长度和方向，
Figure FDA0003676690760000028
为平板上与
Figure FDA0003676690760000029
垂直的单位方向；
利用EEC计算边缘结构的绕射分量：
Figure FDA00036766907600000210
Figure FDA00036766907600000211
其中，
Figure FDA00036766907600000212
为边缘的方向矢量，η0为自由空间阻抗，
Figure FDA00036766907600000213
和
Figure FDA00036766907600000214
分别代表垂直和水平极化方向，
Figure FDA00036766907600000215
和
Figure FDA00036766907600000216
分别为边缘的起点和终点，
Figure FDA00036766907600000217
Figure FDA00036766907600000218
为边的中点，IPTD和MPTD分别为边缘的绕射电流和绕射磁流。
4.如权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述利用基于积分方程法的面元模型建立粗糙背景地形的回波，具体方法包括：
将粗糙面以成像分辨率为尺寸剖分为电大网格，每个网格可视为点散射中心，每个散射中心的幅度由积分方程法模型法批量求解：
Figure FDA00036766907600000219
其中，
Figure FDA00036766907600000220
为粗糙面散射场，N为粗糙面元个数，k为波数，rn为电大网格的位置矢量，r′为入射波矢量，exp(jψ)为随机相位修正项，当网格为电大尺寸网格时需要加入，ψ的范围为[0:2π]，An为电大网格散射场的振幅。
5.如权利要求2所述的计算方法，其特征在于，所述对目标网格中的耦合区网格进行均匀加密的步骤，具体包括：
求解入射法矢在xy平面中的投影，并逐一求解与网格外法向量的夹角，当夹角为0时，判定该网格为耦合区网格，其与背景散射回波存在耦合；
根据所提取网格的顶点坐标，对存在耦合的电大网格进行均匀加密。
6.如权利要求2所述的计算方法，其特征在于，所述使用半解析四路径模型对目标和背景之间的多次散射进行计算的步骤，具体包括：
根据耦合区网格的坐标判断是否共面，根据是否共面将耦合区网格分集；
利用四路径模型求解每一网格集中一个网格的耦合散射场
Figure FDA0003676690760000031
则该网格集的耦合散射场为：
Figure FDA0003676690760000032
其中，
Figure FDA0003676690760000033
为该网格集中所有网格的幅度，φi为第i个网格的相位；
将所有网格集的耦合散射场叠加得到总体的耦合散射场，即目标和背景之间的多次散射。
7.如权利要求1-6中任一所述的计算方法，还包括模型校验的步骤，具体包括：
将所述复合目标的散射场与全波数据相互验证，当RCS均值误差小于3dB时，散射模型成立；
当RCS均值误差大于3dB，重新进行目标边缘结构确定和各散射分量求解。
8.如权利要求7所述的计算方法，还包括根据所述复合散射回波数据，计算SAR或ISAR图像的步骤。
9.如权利要求1所述的计算方法，还包括根据独立目标网格模型，及粗糙背景地形网格模型，生成复合目标的电大网格模型的步骤。
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