CN115661293B - 一种电磁散射中目标瞬态感应特征图像生成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电磁散射中目标瞬态感应特征图像生成方法，包括以下步骤：S1.给定规则曲面受脉冲平面电磁波辐射的场景信息；S2.将规则曲面在XOY平面进行投影并进行网格生成，得到平面二维离散矩形网格；S3.遍历平面二维离散矩形网格中的每一个网格，得到每一个网格的中心点坐标和在曲面上的映射点，计算平面波波前从O点到达曲面的最小和最大光程，并进行区间分割得到时间序列和幅度序列；S4.对于二维离散矩形网格中的每一个网格,确定网格中心点在规则曲面上的映射点信息列表；S5.生成电磁散射中目标瞬态感应特征图像。本发明通过数字图像表征目标在瞬态脉冲平面波激励条件的感应场特征图像,能够实现目标在瞬态脉冲平面波下感应场特征的可视化展示。
Description
技术领域
本发明涉及电磁散射，特别是涉及一种电磁散射中目标瞬态感应特征图像生成方法。
背景技术
随着短脉冲通信和超宽带雷达系统的广泛应用，采用时域方法来分析目标的瞬态电磁散射已经成为计算电磁学中的热点之一。了能够快速准确分析电大尺寸目标的瞬态散射，近年来发展出与各种频域高频算法相对应的时域方法。其中，时域物理光学是物理光学法的时域版本，其主要思路是通过傅里叶变换将频域物理光学公式转化为时域公式，然后利用把目标表面的时域等效电流密度代入到时域散射电场表达式中，得到散射远场时域分布。然而众多学者从瞬态电磁散射的结果即目标的最终雷达散射截面的快速计算层面，而鲜有对瞬态电磁散射过程中平面波与散射体的时域作用瞬态过程进行分析。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种电磁散射中目标瞬态感应特征图像生成方法,采用数字采样的方式将目标表面的时域响应信号离散成时间与空间的二维序列，通过数字图像表征了目标在瞬态脉冲平面波激励条件下的感应场特征图像,能够实现目标在瞬态脉冲平面波下感应场特征的可视化展示。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：S1.给定规则曲面受脉冲平面电磁波辐射的场景信息；
S2.将规则曲面在XOY平面进行投影，得到投影的矩形区域RXOY,并在矩形区域RXOY内进行网格生成，得到平面二维离散矩形网格；
S3.遍历平面二维离散矩形网格中的每一个网格，得到每一个网格的中心点坐标和在曲面上的映射点，计算平面波波前从O点到达曲面的最小和最大光程，并进行区间分割得到时间序列和幅度序列；
S4.对于二维离散矩形网格中的每一个网格,确定网格中心点位置上的zij、Jt(Rij,t)的xyz分量，分别用zij、表示，并形成列表
S5.生成电磁散射中目标瞬态感应特征图像。
本发明的有益效果是：
本专利给出了目标在瞬态脉冲平面波激励条件下的感应场表达式，该表达式相比时谐频域表达式的最大不同是采用了时域卷积的形式，而后采用数字采样的方式将目标表面的时域响应信号离散成时间与空间的二维序列，通过数字图像表征了目标在瞬态脉冲平面波激励条件下的感应场特征图像，能够实现目标在瞬态脉冲平面波下感应场特征的可视化展示。
附图说明
图1为本发明的方法流程图；
图2为本发明的辐射场景示意图；
图3为规则曲面投影示意图；
图4为网格剖分示意图；
图5为平面波波前从O点到达曲面的最小和最大光程示意图；
图6为实施例中得到的Iz示意图；
图7为实施例中得到的Ix示意图；
图8为实施例中得到的Ity示意图；
图9为实施例中得到的Itz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，一种电磁散射中目标瞬态感应特征图像生成方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.给定规则曲面受脉冲平面电磁波辐射的场景信息：如图2所示，由脉冲平面电磁波照射到曲面表面，产生电流感应，设所述的场景信息包括：
(1)脉冲平面电磁波的入射方向为水平和垂直极化场强分别为/>和脉冲信号的形式s(t)，将脉冲离散为时间序列，其采样时间间隔为Δt，脉冲的采样点数为Nt，则脉冲的总时长为NtΔt；；
(2)规则曲面的表征公式为z＝f(x,y)，参数范围为：x1≤x≤x2和y1≤y≤y2；
(3)网格剖分密度为D，在X轴和Y轴上的网格剖分长度Δx＝Δy＝λ/D，其中λ＝c0/f0为工作频率对应的波长,c0为自由空间波速。
S2.将规则曲面在XOY平面进行投影，得到投影的矩形区域RXOY,如图3所示；然后在矩形区域RXOY内进行网格生成，得到平面二维离散矩形网格，如图4所示；
在矩形区域RXOY内进行网格生成，得到平面二维离散矩形网格的过程包括：
根据设置的网格密度和得到的X轴网格剖分长度Δx和Y轴网格剖分长度Δy，计算X轴剖分数nX和Y轴剖分数nY：
S3.遍历平面二维离散矩形网格中的每一个网格，得到每一个网格的中心点坐标和在曲面上的映射点，计算平面波波前从O点到达曲面的最小和最大光程，并进行区间分割得到时间序列和幅度序列；
所述步骤S3包括：
S301：遍历X轴上的(nX-1)个网格和Y轴上的(nY-1)个网格，得到X轴上的第i个，Y轴上的第j个网格Gij,Gij网格中心点二维坐标Rij(xi,yj)为：
xi＝(i+0.5)Δx,yj＝(j+0.5)Δy
S302：网格中心点二维坐标(xi,yi)代入规则曲面表征公式得到该网格中心点在曲面上的映射点Rij(xi,yj,zij),其在XOY平面上的投影点与网格中心点重合，其中
zij＝f(xi,yj)。
S303.循环步骤S301和步骤S302直到遍历完所有网格为止，并得到和/>分别为平面波波前从O点到达曲面的最小和最大光程；O点表示为世界坐标坐标系原点；
S304：将区间均匀分割成Ns+1段：
以使得电磁波经过每段的时间长度为Δt，每段的长度Δl＝(Te-Tb)/Ns；
S305：将脉冲信号s(t)在[0,NtΔt]范围内均匀分割成Nt+1段，得到信号的时间序列以及对应的幅度序列/>
S4.对于二维离散矩形网格中的每一个网格,确定网格中心点位置上的zij、Jt(Rij,t)的xyz分量，分别用zij、表示，并形成列表
所述步骤S4包括：
S401.遍历所有曲面上的网格中心映射点Rij，计算Rij的瞬态感应电流Jij(t)；
由时域物理光学近似，得到规则曲面被脉冲平面电磁波照亮区域上上任意一点r′在某一个时刻t的表面感应电流JPO(r′,t)为：
而对于信号为s(t)的脉冲平面电磁波，其入射到位置上的瞬态磁场分量表示为：
其中,为平面电磁波波前抵达曲面位置r′上所经历的延迟时间，/> 为自由空间波数,η＝120π为自由空间波阻抗，/>c0为自由空间波速；δ为单位冲击函数；/>为卷积符号；
计算第ij号网格中心Rij的瞬态感应电流Jij(t)在Δt时间间隔下的幅度序列的过程包括有如下步骤：
步骤A1:计算Rij与O之间的光程差对应的时间延迟
步骤A2:计算Δtij在区间对应的序号kij＝Δtij/Δt；
步骤A3:计算iCur的范围区间iCur∈[MinCur,MaxCur],由用户在[MinCur,MaxCur]范围内给定值，记为iCur0；
步骤A3:构造长度为Ns+1，值全为0的序列并使其第kij个值设置为1，
步骤A4:计算其中/>为序列卷积符号，得到/>的序列长度为Nc；
步骤A5:完成Jij(t)在Δt时间间隔下的幅度序列的计算；
S402:计算t＝iCur0*Δt时刻某个网格中心点位置上的zij、Jt(Rij,t)的xyz分量，分别用zij、表示；
S403：重复步骤S401～步骤S402直到完成nX×nY个网格的遍历为止，得到列表
以上步骤完成了规则曲面到XOY平面的平面投影矩形网格模型的映射，得到了矩形网格模型上每个矩形网格对应的规则曲面所受瞬态平面波激励导致的t＝iCur*Δt时刻瞬态表面感应场Ju、,Jv、Jtx、Jty和Jtz。
S5.生成电磁散射中目标瞬态感应特征图像：
分为为列表Z、Jtx、Jty和Jtz创建四个分辨率都为nX×nY的数字图像数据ImagZ,ImagJtx,ImagJty,ImagJtz，并将列表Z、Jtx、Jty和Jtz的矩阵数据按照行列的二重循环的顺序分别逐一赋值给ImagZ,ImagJtx,ImagJty,ImagJtz的各个像素点，这四个数字图像采用分辨率为nX×nY，每个像素代表的实际物理尺寸分别是Δx和Δy；设置数字图像的颜色深度和显示的通道数为1；
分别将这四个数字图像数据分别保存至四个BMP文件，取名分别为Iz.bmp、Itx.bmp、Ity.bmp和Itz.bmp。
在本申请的实施例中，按照本申请的方法，进行高斯曲面目标表面感应瞬态电流特征图像表征进行处理，涉及到的参数如下
f0＝4GHz，fBW＝0.5GHzθinc＝35,高斯曲面的表征公式为/>A＝3，σ＝5，参数范围为：-12.5≤x≤12.5和-12.5≤y≤12.5；脉冲采用高斯脉冲，表示为：
其中，τ＝4/fBW,t0＝0.8τ
得到的Iz、Itx、Ity、Itz如图6～9所示；从图8和图9中可以清楚且直观地观察到目标曲面在瞬态平面波映射下的散射中心即为图像中清晰显示的波动中心位置点，结合图6的高度特征图像可以看到，波动中心位置点即与图6中所示的曲面高度的峰值点基本重合，由此可见，曲面的峰值点是构成目标散射中心的一类非常重要的因素。图7可以看到没有散射中心的存在，说明散射中心具有矢量特性，不是在各个方向都存在，而是与入射和散射方向有关，例如在本例的X方向上就不存在散射中心。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应该看作是对其他实施例的排除，而可用于其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，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 (4)
1.一种电磁散射中目标瞬态感应特征图像生成方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.给定规则曲面受脉冲平面电磁波辐射的场景信息；
S2.将规则曲面在XOY平面进行投影，得到投影的矩形区域RXOY,并在矩形区域RXOY内进行网格生成，得到平面二维离散矩形网格；
S3.遍历平面二维离散矩形网格中的每一个网格，得到每一个网格的中心点坐标和在曲面上的映射点，计算平面波波前从O点到达曲面的最小和最大光程，并进行区间分割得到时间序列和幅度序列；
S4.对于二维离散矩形网格中的每一个网格,确定网格中心点在规则曲面上的映射点信息列表；
所述步骤S4包括：
S401.遍历所有曲面上的网格中心映射点Rij，计算Rij的瞬态感应电流Jij(t)；
由时域物理光学近似，得到规则曲面被脉冲平面电磁波照亮区域上上任意一点r′在某一个时刻t的表面感应电流JPO(r′,t)为：
而对于信号为s(t)的脉冲平面电磁波，其入射到位置上的瞬态磁场分量表示为：
其中,为平面电磁波波前抵达曲面位置r′上所经历的延迟时间，/> 为自由空间波数,η＝120π为自由空间波阻抗，/>c0为自由空间波速；δ为单位冲击函数；/>为卷积符号；
计算第ij号网格中心Rij的瞬态感应电流Jij(t)在Δt时间间隔下的幅度序列的过程包括有如下步骤：
步骤A1:计算Rij与O之间的光程差对应的时间延迟
步骤A2:计算Δtij在区间对应的序号kij＝Δtij/Δt；
步骤A3:计算iCur的范围区间iCur∈[MinCur,MaxCur],由用户在[MinCur,MaxCur]范围内给定值，记为iCur0；
步骤A3:构造长度为Ns+1，值全为0的序列并使其第kij个值设置为1，/>
步骤A4:计算其中/>为序列卷积符号，得到/>的序列长度为Nc；
步骤A5:完成Jij(t)在Δt时间间隔下的幅度序列的计算；
S402:计算t＝iCur0*Δt时刻某个网格中心点位置上的zij、Jt(Rij,t)的xyz分量，分别用zij、表示；
S403：重复步骤S401～步骤S402直到完成nX×nY个网格的遍历为止，得到列表
S5.生成电磁散射中目标瞬态感应特征图像；
所述步骤S5包括：
分为为列表Z、Jtx、Jty和Jtz创建四个分辨率都为nX×nY的数字图像数据ImagZ,ImagJtx,ImagJty,ImagJtz，并将列表Z、Jtx、Jty和Jtz的矩阵数据按照行列的二重循环的顺序分别逐一赋值给ImagZ,ImagJtx,ImagJty,ImagJtz的各个像素点，这四个数字图像采用分辨率为nX×nY，每个像素代表的实际物理尺寸分别是Δx和Δy；设置数字图像的颜色深度和显示的通道数为1；
分别将这四个数字图像数据分别保存至四个BMP文件，取名分别为Iz.bmp、Itx.bmp、Ity.bmp和Itz.bmp。
2.根据权利要求1所述的一种电磁散射中目标瞬态感应特征图像生成方法，其特征在于：步骤S1中，由脉冲平面电磁波照射到曲面表面，产生电流感应，设所述的场景信息包括：
(1)脉冲平面电磁波的入射方向为水平和垂直极化场强分别为/>和/>脉冲信号的形式s(t)，将脉冲离散为时间序列，其采样时间间隔为Δt，脉冲的采样点数为Nt，则脉冲的总时长为NtΔt；
(2)规则曲面的表征公式为z＝f(x,y)，参数范围为：x1≤x≤x2和y1≤y≤y2；
(3)网格剖分密度为D，在X轴和Y轴上的网格剖分长度Δx＝Δy＝λ/D，其中λ＝c0/f0为工作频率对应的波长,c0为自由空间波速。
3.根据权利要求1所述的一种电磁散射中目标瞬态感应特征图像生成方法，其特征在于：所述步骤S2中，在矩形区域RXOY内进行网格生成，得到平面二维离散矩形网格的过程包括：
根据设置的网格密度和得到的X轴网格剖分长度Δx和Y轴网格剖分长度Δy，计算X轴剖分数nX和Y轴剖分数nY：
4.根据权利要求1所述的一种电磁散射中目标瞬态感应特征图像生成方法，其特征在于：所述步骤S3包括：
S301：遍历X轴上的(nX-1)个网格和Y轴上的(nY-1)个网格，得到X轴上的第i个，Y轴上的第j个网格Gij,Gij网格中心点二维坐标Pij(xi,yj)为：
xi＝(i+0.5)Δx,yj＝(j+0.5)Δy
S302：网格中心点二维坐标(xi,yi)代入规则曲面表征公式得到该网格中心点在曲面上的映射点Rij(xi,yj,zij),其在XOY平面上的投影点与网格中心点重合，其中
zij＝f(xi,yj)；
S303.循环步骤S301和步骤S302直到遍历完所有网格为止，并得到和/>分别为平面波波前从O点到达曲面的最小和最大光程；O点表示为世界坐标坐标系原点；
S304：将区间均匀分割成Ns+1段：
以使得电磁波经过每段的时间长度为Δt，每段的长度Δl＝(Te-Tb)/Ns；
S305：将脉冲信号s(t)在[0,NtΔt]范围内均匀分割成Nt+1段，得到信号的时间序列[t0,t1,t2,…,tNt]，以及对应的幅度序列St＝[s0,s1,s2,…,sNt]。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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