CN115561727A - 一种基于目标几何外形的散射源分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于目标几何外形的散射源分析方法，包括以下两个步骤：首先基于目标的实测数据进行散射中心的提取，具体包括：S1、获取二维雷达图像，S2、提取散射中心，S3、将散射中心数据转换到目标本体坐标系；之后获取结合目标几何结构特点的散射中心分布模型，具体包括：S4、将目标模型进行分区，S5、将散射中心按照分区进行归类与聚焦处理，S6、获取与几何结构相关的散射中心分布模型。本发明避免了传统散射中心提取方法对目标模型描述不准确等问题，能够实现体现复杂目标结构特点的分布式散射中心建模，极大扩展了适用范围。

Description

一种基于目标几何外形的散射源分析方法

技术领域

本发明涉及电磁散射建模领域，尤其涉及一种基于目标几何外形的散射源分析方法。

背景技术

从目标电磁散射机理上分析，相对于雷达的入射波长，目标表现为电大尺寸，高频散射构成了目标的主要散射贡献，使得目标表面边缘、顶点、几何不连续处等位置属性结构一致，后向散射能量聚集，形成局部的散射源或散射中心。目标的散射场是多散射中心电场的空间矢量合成。基于目标散射中心分布可以避免复杂耗时的电磁散射仿真，实现目标回波的快速生成。此外，在雷达半实物仿真系统中，也可以利用多个散射中心实现对复杂目标的模拟，用来对被测雷达的探测能力进行验证。在仿真或者半实物测试系统中，利用散射中心模型对目标进行模拟表征时，一方面关注散射中心幅度对目标RCS的模拟精度，另一方面也同样关注散射中心分布对目标几何外形的模拟情况。

然而，虽然国内外许多单位对目标的散射中心模型开展了相关研究，研究方向涵盖基于正向建模的散射中心分析、基于成像的散射中心分析等，但对于复杂扩展目标，如何综合考虑目标的几何结构特点与后向散射特性，实现与目标几何结构相关的分布式散射中心模型的描述表征仍有待进一步研究。

基于此，亟需通过对测试或仿真数据的分析，建立一套基于目标几何外形的散射源分析方法，获取目标几何结构相关的分布式散射中心模型，这对于实现目标的高精度散射中心表征模拟具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于目标几何外形的散射源分析方法，可实现能够体现目标结构尺度的散射中心分布模型的提取。

为达到上述目的，本发明提供了一种基于目标几何外形的散射源分析方法，包括以下两个步骤：首先基于目标的实测数据进行散射中心的提取，具体包括：S1、获取二维雷达图像，S2、提取散射中心，S3、将散射中心数据转换到目标本体坐标系；之后获取结合目标几何结构特点的散射中心分布模型，具体包括：S4、将目标模型进行分区，S5、将散射中心按照分区进行归类与聚焦处理，S6、获取与几何结构相关的散射中心分布模型。

进一步，所述步骤S1具体包括：

S11、在微波暗室内建立以矢量网络分析仪为核心的静态RCS测量系统，该系统主要包括：射频分系统、转台控制系统和仪器自动控制分系统，将目标放置在转台上，利用转台带动目标开展方位角的扫描，即扫角测试，获得目标在各个方位角的RCS，即扫角测试的RCS；

S12、在利用转台带动目标开展扫角测试的同时，对于每一个方位角开展扫频测试，获得目标在每个方位角不同频率下的RCS，即扫频测试的RCS；

S13、通过对所述扫频测试的RCS、扫角测试的RCS进行傅里叶变换得到目标的二维雷达图像。

具体地，所述步骤S1中扫角测试的RCS、扫频测试的RCS的计算方法为：对同样测试状态下的标准体进行测量，得到标准体回波功率的最大值，与目标的回波功率进行比较，获得目标的RCS，计算公式为：

其中，σ_s是标准体的RCS，σ是目标的RCS，U_b为测量空室接收机输出响应，U_sm为测量标准体接收机输出响应，U_tm为测量目标接收机输出响应。

目标的二维雷达图像的两个维度分别是径向距离维度和横向距离维度，径向距离维度与扫频参数相关，横向距离维度与扫角参数相关。

进一步，所述步骤S2具体为：采用CLEAN算法查找所述二维雷达图像中幅度最大点位置，并将该点作为目标强散射中心，然后用原像减去该强散射中心与相应的点扩展函数之积；经过N次迭代后，当像域中最大散射点幅度小于要求的门限，则目标散射中心提取完毕。

具体地，采用CLEAN算法提取散射中心时，所选取的测试数据需要满足扫频参数对应的径向分辨率和径向窗宽度与扫角参数对应的横向分辨率与横向窗宽度基本一致，具体为：δ_r＝c/(2B)≈δ_c＝λ/(2Δφ)，L_r＝c/(2d_f)≈L_c＝λ/(2δθ)，其中，δ_r为径向分辨率，δ_c为横向分辨率，c为光速，B为扫频带宽，λ为扫角波长，Δφ为扫角宽度；L_r为径向窗宽度，L_c为横向窗宽度，d_f为扫频步长，λ为扫角波长，δθ为扫角步长。

进一步，所述步骤S4具体为：根据目标潜在的散射机制，对目标的强散射结构进行分析，根据散射结构在目标几何外形上的分布，对目标进行区域划分，建立目标轮廓的分区模型，实现目标分区边界条件的求解。

在对目标进行区域划分时，以目标轮廓为基准向外侧延伸20％的距离，作为目标分区的边界。

进一步，所述步骤S5具体为：在各个观测角度下，对目标的散射中心分布进行提取，并按照目标的区域划分对散射中心进行分组归类与聚焦处理。

进一步，所述步骤S6具体为：根据所述步骤S5的散射中心分组，计算各分组等效散射中心的幅度和相位，以此获取当前观测角度下目标的散射点参数，计算公式为：

其中，R₀为等效强散射点的位置矢量，R_n为第n个散射点位置矢量，N为当前分区内散射中心数目，

为第n个散射点散射矢量，

为该分区内部等效强散射点的散射矢量，i为虚数单位，k为入射电磁波波数；最后根据计算得到的等效强散射点的位置矢量和散射矢量，获取结合目标几何特点的散射中心分布模型。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明通过目标几何外形结构与散射中心分布的关联分析，避免了传统散射中心提取方法对目标模型描述不准确等问题，能够实现体现复杂目标结构特点的分布式散射中心建模，极大扩展了适用范围。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2(a)及图2(b)为本发明实施例的车辆目标的二维雷达图像；

图3(a)及图3(b)为本发明实施例的车辆目标二维散射中心分布图；

图4为本发明实施例的车辆模型的区域划分示意图；

图5(a)及图5(b)为本发明实施例的结构相关的分布式散射中心模型。

具体实施方式

以下结合附图，通过优选实施例对本发明的技术内容、构造特征、所达成目的及功效予以详细说明。

需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

需要说明的是，在本发明中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括明确列出的要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

本发明提供了一种基于目标几何外形的散射源分析方法，首先进行基于实测数据的散射中心提取，再获取结合目标几何外形特点的散射中心分布模型，如图1所示，所述进行基于实测数据的散射中心提取具体包括以下步骤：

S1、对目标的电磁散射特性开展测试，获取目标在不同观测角度下的二维雷达图像，具体步骤包括：

S11、获取目标在不同方位角下的RCS(雷达散射截面)，具体为：在微波暗室内建立以矢量网络分析仪为核心的静态RCS测量系统，该系统主要包括：射频分系统、转台控制分系统和仪器自动控制分系统，仪器自动控制分系统是整个系统的控制核心，通过连接线分别与射频分系统、转台控制分系统连接，仪器自动控制分系统控制射频分系统发射一定频率的电磁波，仪器自动控制分系统控制转台控制分系统旋转，继而使得转台控制分系统控制转台旋转，之后应用相对比较法测量目标的RCS，即对同样测试状态下的标准体(金属平板)进行测量，得到其回波功率的最大值，与目标的回波功率进行比较，获得目标的RCS，计算公式为：

式中，σ_s是标准体的RCS；σ是目标的RCS；U_b为测量空室接收机(射频分系统的接收装置)输出响应；U_sm为测量标准体接收机输出响应；U_tm为测量目标接收机输出响应；将目标放置在转台上，利用转台带动目标开展方位角的扫描，即扫角测试，在转台控制分系统控制转台旋转过程中，对于每一个方位角度，通过所述公式(1)计算其RCS，即可获得目标在各个方位角的RCS(扫角测试中的RCS)。

S12、获取目标在同一个方位角下，一定带宽下，不同频率的RCS，具体为：在利用转台带动目标开展扫角测试的同时，对于每一个方位角，在一定带宽下，利用射频分系统发射频率由高到低(或由低到高)连续变化的电磁波，即开展一定带宽的扫频测试，通过所述公式(1)计算其RCS，即可获得目标在同一个方位角、不同频率下的RCS(扫频测试中的RCS)。

S13、通过对扫频测试中获得的RCS、扫角测试中获得的RCS进行傅里叶变换得到目标的二维雷达图像。

进一步，目标的二维雷达图像是目标散射中心在二维成像平面的分布，其两个维度为径向距离维度和横向距离维度，其中，径向距离维度与扫频参数相关，横向距离维度与扫角参数相关。

S2、采用CLEAN算法从二维雷达图像中提取目标散射中心，具体地：通过所述步骤S1获得的目标二维雷达图像

受带宽与角度范围的窗函数影响，

是目标散射中心f(r,φ)与点扩展函数h(r,φ)(相应窗函数在像域响应的函数)的卷积，从二维雷达图像中提取目标散射中心f(r,φ)过程为一去卷积过程；CLEAN算法是一种迭代算法，算法过程为查找像中幅度最大点位置，并将该点作为目标强散射中心，然后用原像减去该强散射中心与相应的点扩展函数之积；经过N次迭代后，像域中最大散射点幅度小于要求的门限，此时目标剩余散射中心能量很小，对目标整体RCS贡献不大，即认为目标散射中心已经提取完毕。

需要说明的是，为了便于CLEAN算法提取散射中心，需要保证所选取测试数据中，扫频参数对应的径向分辨率和径向窗宽度与扫角参数对应的横向分辨率与横向窗宽度基本一致，具体如下：

δ_r＝c/(2B)≈δ_c＝λ/(2Δφ) (2)

L_r＝c/(2d_f)≈L_c＝λ/(2δθ) (3)

式(2)中，δ_r为径向分辨率，δ_c为横向分辨率，c为光速，B为扫频带宽，λ为扫角波长，Δφ为扫角宽度；式(3)中，L_r为径向窗宽度，L_c为横向窗宽度，d_f为扫频步长，λ为扫角波长，δθ为扫角步长。

S3、通过坐标变换关系将目标散射中心的位置从二维雷达成像平面转换到目标本体坐标系下。

需要说明的是，所述步骤S2中基于CLEAN算法的散射中心提取，仅仅考虑了雷达图像中散射中心能量的强弱，对于散射中心在目标中的分布情况未做考虑，而在散射中心模型的实际应用中，聚集较近的散射中心可能无法被被测雷达区分，因此需要改进对目标散射中心的提取与表征方法。

所述获取结合目标几何外形特点的散射中心分布模型具体包括以下步骤：

S4、将目标模型进行分区，具体为：根据目标潜在的散射机制，对目标的强散射结构进行分析，根据散射结构在目标几何外形上的分布，对目标进行区域划分，建立目标轮廓的分区模型，实现目标分区边界条件的求解。

需要说明的是，考虑到对于目标部件结构之间多径散射等造成的散射中心其位置可能偏离目标本身，因此在对目标进行区域划分时，以目标轮廓为基准向外侧延伸20％的距离，作为目标分区的边界。

具体地，目标散射机制包括面散射、多次散射、边缘绕射、顶点与尖顶绕射、表面爬行波与蠕动波散射等；针对同一种散射机制，目标几何形状也存在多种变化，例如，面散射对应的几何形状包括平板、圆柱、圆球等，多次散射对应的几何形状包括二面角、帽顶、三面角等。

S5、将散射中心按照分区进行归类与聚焦处理，具体为：在各个观测角度下，对目标的散射中心分布进行提取，提取的散射中心数目较多，且较为离散，按照目标的区域划分对散射中心进行分组归类与聚焦处理，用有限数量的散射中心来描述目标。

S6、获取结合目标几何结构特点的散射中心分布模型，具体为：按照所述步骤S5的散射中心分组，计算各分组等效散射中心的幅度和相位，以此获取当前观测角度下目标的散射点参数，计算公式为：

式中，R₀为等效强散射点的位置矢量；R_n为第n个散射点位置矢量；N为当前分区内散射中心数目；

为第n个散射点散射矢量；

为该分区内部等效强散射点的散射矢量；i为虚数单位；k为入射电磁波波数，根据计算得到的等效强散射点的位置矢量和散射矢量，获取结合目标几何特点的散射中心分布模型。

本优选实施例中，以车辆目标几何外形相关的散射源分析为例，首先，在微波暗室内利用静态RCS测量系统对车辆目标在一定频率、一定带宽下开展扫角测试，获取电磁散射数据，继而根据电磁散射数据进行成像处理，获取目标在不同观测角度下的二维雷达图像。具体地，如图2所示，对一款车辆目标在频率77GHz，带宽1GHz，方位角0°(头部方向入射)及45°情况下的测试数据进行成像处理，获取车辆目标的二维雷达图像，其中，图2(a)为方位角0°时的车辆目标的二维雷达图像，图2(b)为方位角45°时的车辆目标的二维雷达图像。

之后，根据上述获取的车辆目标的二维雷达图像，采用CLEAN算法进行散射中心的提取，获取雷达成像平面下的散射中心分布图，如图3所示，对每副二维雷达图像选取的散射中心数目为20，图3中散射中心用“+”进行了标记，其中，图3(a)为方位角0°时的车辆目标的雷达成像平面下的散射中心分布图，图3(b)为方位角45°时的车辆目标的雷达成像平面下的散射中心分布图，由图3(a)和图3(b)可见散射中心主要聚集在车辆目标被雷达波照亮的区域。

通过坐标转换关系将散射中心数据从雷达成像平面转换到车辆目标本体坐标系下。

根据车辆目标潜在的散射机制，对车辆目标的强散射结构进行分析，车辆目标的车头、车尾、车身、后视镜等几何结构多由典型几何体组成，比如：平板、一次曲面、双曲面、柱面、尖顶等，其中，平板对应平面散射，圆锥及柱面对应单曲面散射，球或双曲面对应双曲面散射，直劈、曲边及尖顶对应绕射。

根据上述对车辆目标的强散射结构分析结果，对车辆目标进行区域划分。具体地，车辆目标X轴方向的长度记为L，Y轴方向的宽度记为W，车辆目标的几何中心位于坐标原点。区域划分中X轴方向的取值范围为-0.6L～0.6L，Y轴方向的取值范围为-0.6W～0.6W。如图4所示，车辆目标分为A区～L区，共12个典型分区，分区所对应的主要散射中心类型和边界约束情况如下，其中x、y为对应散射中心的坐标：

(a)A区：对应正入射附近区间内，车头部区域的镜面散射中心

0.4L＜x≤0.6L

-0.4W≤y≤0.4W

(b)B区：车辆左前方角点所对应的散射中心

0.3L＜x≤0.6L

0.4W＜y≤0.6W

(c)C区：车辆右前方交点所对应的散射中心

0.3L＜x≤0.6L

-0.6W≤y＜-0.4W

(d)D区：车辆左前轮、左前门、左侧后视镜对应散射中心0≤x≤0.3L

0.4W＜y≤0.6W

(e)E区：车辆右前轮、右前门、右侧后视镜对应散射中心0≤x≤0.3L

-0.6W≤y＜-0.4W

(f)F区：车辆左后轮、左后门对应散射中心

-0.3L≤x＜0

0.4W＜y≤0.6W

(g)G区：车辆右后轮、右后门对应散射中心

-0.3L≤x＜0

-0.6W≤y＜-0.4W

(h)H区：车辆左后方角点对应散射中心

-0.6L≤x＜-0.3L

0.4W＜y≤0.6W

(i)I区：车辆右后方角点对应散射中心

-0.6L≤x＜-0.3L

-0.6W≤y＜-0.4W

(j)J区：车辆尾部区域的镜面散射中心

-0.6L≤x＜-0.4L

-0.4W≤y≤0.4W

(k)K区：后段车身对应散射中心

-0.4L≤x＜0

-0.4W≤y≤0.4W

(l)L区：前段车身对应散射中心

0≤x≤0.4L

-0.4W≤y≤0.4W

将图3中获取的车辆目标的散射中心按照12个分区进行归类与聚焦计算，如图5所示，获取能够体现目标几何结构特点的车辆目标分布式散射中心模型，用黑色圆点将散射中心进行标识，其中，图5(a)为方位角0°时的基于车辆目标几何外形的散射中心模型，图5(b)为方位角45°时的基于车辆目标几何外形的散射中心模型。

综上所述，与现有技术相比，本发明所提出的基于目标几何外形的散射源分析方法，通过对目标几何外形结构与散射中心分布的关联分析，避免了传统散射中心提取方法对目标模型描述不准确等问题，能够实现体现复杂目标结构特点的分布式散射中心建模，极大扩展了适用范围。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种基于目标几何外形的散射源分析方法，其特征在于，包括以下两个步骤：

首先基于目标的实测数据进行散射中心的提取，具体包括：S1、获取二维雷达图像，S2、提取散射中心，S3、将散射中心数据转换到目标本体坐标系；

之后获取结合目标几何结构特点的散射中心分布模型，具体包括：S4、将目标模型进行分区，S5、将散射中心按照分区进行归类与聚焦处理，S6、获取与几何结构相关的散射中心分布模型。

2.如权利要求1所述的基于目标几何外形的散射源分析方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：

S11、在微波暗室内建立以矢量网络分析仪为核心的静态RCS测量系统，该系统主要包括：射频分系统、转台控制系统和仪器自动控制分系统，将目标放置在转台上，利用转台带动目标开展方位角的扫描，即扫角测试，获得目标在各个方位角的RCS，即扫角测试的RCS；

S12、在利用转台带动目标开展扫角测试的同时，对于每一个方位角开展扫频测试，获得目标在每个方位角不同频率下的RCS，即扫频测试的RCS；

S13、通过对所述扫频测试的RCS、扫角测试的RCS进行傅里叶变换得到目标的二维雷达图像。

3.如权利要求2所述的基于目标几何外形的散射源分析方法，其特征在于，所述步骤S1中扫角测试的RCS、扫频测试的RCS的计算方法为：对同样测试状态下的标准体进行测量，得到标准体回波功率的最大值，与目标的回波功率进行比较，获得目标的RCS，计算公式为：

其中，σ_s是标准体的RCS，σ是目标的RCS，U_b为测量空室接收机输出响应，U_sm为测量标准体接收机输出响应，U_tm为测量目标接收机输出响应。

4.如权利要求2所述的基于目标几何外形的散射源分析方法，其特征在于，目标的二维雷达图像的两个维度分别是径向距离维度和横向距离维度，径向距离维度与扫频参数相关，横向距离维度与扫角参数相关。

5.如权利要求2所述的基于目标几何外形的散射源分析方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：采用CLEAN算法查找所述二维雷达图像中幅度最大点位置，并将该点作为目标强散射中心，然后用原像减去该强散射中心与相应的点扩展函数之积；经过N次迭代后，当像域中最大散射点幅度小于要求的门限，则目标散射中心提取完毕。

6.如权利要求5所述的基于目标几何外形的散射源分析方法，其特征在于，采用CLEAN算法提取散射中心时，所选取的测试数据需要满足扫频参数对应的径向分辨率和径向窗宽度与扫角参数对应的横向分辨率与横向窗宽度基本一致，具体为：δ_r＝c/(2B)≈δ_c＝λ/(2Δφ)，L_r＝c/(2d_f)≈L_c＝λ/(2δθ)，其中，δ_r为径向分辨率，δ_c为横向分辨率，c为光速，B为扫频带宽，λ为扫角波长，Δφ为扫角宽度；L_r为径向窗宽度，L_c为横向窗宽度，d_f为扫频步长，λ为扫角波长，δθ为扫角步长。

7.如权利要求1所述的基于目标几何外形的散射源分析方法，其特征在于，所述步骤S4具体为：

根据目标潜在的散射机制，对目标的强散射结构进行分析，根据散射结构在目标几何外形上的分布，对目标进行区域划分，建立目标轮廓的分区模型，实现目标分区边界条件的求解。

8.如权利要求7所述的基于目标几何外形的散射源分析方法，其特征在于，在对目标进行区域划分时，以目标轮廓为基准向外侧延伸20％的距离，作为目标分区的边界。

9.如权利要求7所述的基于目标几何外形的散射源分析方法，其特征在于，所述步骤S5具体为：在各个观测角度下，对目标的散射中心分布进行提取，并按照目标的区域划分对散射中心进行分组归类与聚焦处理。

10.如权利要求9所述的基于目标几何外形的散射源分析方法，其特征在于，所述步骤S6具体为：根据所述步骤S5的散射中心分组，计算各分组等效散射中心的幅度和相位，以此获取当前观测角度下目标的散射点参数，计算公式为：

其中，R₀为等效强散射点的位置矢量，R_n为第n个散射点位置矢量，N为当前分区内散射中心数目，

为第n个散射点散射矢量，

为该分区内部等效强散射点的散射矢量，i为虚数单位，k为入射电磁波波数；最后根据计算得到的等效强散射点的位置矢量和散射矢量，获取结合目标几何特点的散射中心分布模型。

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