CN115754959A - 一种目标-环境复合雷达散射截面计算模型的建立方法 - Google Patents

一种目标-环境复合雷达散射截面计算模型的建立方法 Download PDF

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CN115754959A
CN115754959A CN202211375854.9A CN202211375854A CN115754959A CN 115754959 A CN115754959 A CN 115754959A CN 202211375854 A CN202211375854 A CN 202211375854A CN 115754959 A CN115754959 A CN 115754959A
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王宜进
童创明
孙华龙
王童
王庆宽
王赵隆
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宋涛
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Abstract

本发明公开了一种目标‑环境复合雷达散射截面计算模型的建立方法，包括以下步骤：S1、利用目标散射计算方法对目标雷达散射截面进行计算，得到目标雷达散射截面的σt；S2、利用改进双尺度方法对环境雷达散射截面进行计算，得到环境雷达散射截面σs；S3、利用基于kd‑tree的SBR方法对耦合雷达散射截面进行计算，得到耦合雷达散射截面σc；S4、根据步骤S1‑S3分别得到的目标雷达散射截面σt、环境雷达散射截面σs和耦合雷达散射截面σc，得到复合雷达散射截面计算模型。

Description

一种目标-环境复合雷达散射截面计算模型的建立方法
技术领域
本发明属于目标-环境特性的技术领域，具体涉及一种目标-环境复合雷达散射截面计算模型的建立方法。
背景技术
目标-环境复合散射是雷达探测、目标识别、成像及远程遥感等领域中的基础问题。目标-环境复合散射特性的分析与研究为后续的信号处理、数据分析提供原始的数据支撑。
目标-环境复合散射不仅包含目标散射、环境散射，而且包含了目标-环境耦合散射。这类问题通常是电大、多尺度的，尤其是其中包含的耦合散射涉及到目标-环境的相互作用，处理这类问题的关键是如何计入耦合散射，一种思路是采用数值方法求得目标-环境相互作用的耦合矩阵，进而用直接或迭代求解的方法获得耦合电磁流；另一种思路是采用高频方法计算其多次反射或散射的贡献。前一种思路需要借助数值计算方法，这就要涉及面元剖分，基函数选取，耦合矩阵元素构造，矩阵性态分析及求解等，环境面元本身就受到粗糙面模型难以精细剖分的限制，即使能够建立起耦合矩阵，它的矩阵条件数通常很大，直接求解与迭代求解均难以奏效，正因为如此，构造耦合矩阵方法不能作为一种通用型的解决手段。后一种思路则是计入耦合散射较强的部分，舍弃耦合散射比较弱的部分，这样就能极大地减少运算量，提高计算效率，虽然该思路计算速度快，但是其计算精度却并不是很高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有的不足，提供一种目标-环境复合雷达散射截面计算模型的建立方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种目标-环境复合雷达散射截面计算模型的建立方法，包括以下步骤；
S1、对目标雷达散射截面进行计算，得到目标雷达散射截面σt；
S2、对环境雷达散射截面进行计算，得到环境雷达散射截面σs；
S3、对耦合雷达散射截面进行计算，得到耦合雷达散射截面σc；
S4、根据步骤S1-S3分别得到的目标雷达散射截面σt、环境雷达散射截面σs和耦合雷达散射截面σc，得到复合雷达散射截面σ计算模型，所述复合雷达散射截面计算模型为：
Figure BDA0003926628340000021
其中，所述σt为目标雷达散射截面，σs为环境雷达散射截面，σc为耦合雷达散射截面，σ为复合雷达散射截面。
优选的，步骤S1具体包括以下步骤：
S11：基于改进的物理光学法，计算得到目标面元复平方根RCS矢量；
所述目标面元复平方根RCS矢量的计算公式为：
Figure BDA0003926628340000022
其中，
Figure BDA0003926628340000023
指的是目标面元复平方根RCS矢量，
Figure BDA0003926628340000024
指的是面元i的可见性函数，
Figure BDA0003926628340000025
和
Figure BDA0003926628340000026
分别指的是入射天线方向性系数和接收天线方向性系数，
Figure BDA0003926628340000027
指的是第i个面元的雷达散射截面的复平方根；
S12：基于改进的物理绕射理论，计算得到目标棱边绕射复平方根RCS矢量；
所述目标棱边绕射复平方根RCS矢量的计算公式为：
Figure BDA0003926628340000028
其中，
Figure BDA0003926628340000029
为目标棱边绕射复平方根RCS矢量，
Figure BDA00039266283400000210
和
Figure BDA00039266283400000211
分别指的是入射天线方向性系数和接收天线方向性系数，
Figure BDA0003926628340000031
指的是棱边i的可见性函数，
Figure BDA0003926628340000032
指的是第i个棱边的棱边绕射复平方根；
S13、将步骤S11得到的目标面元复平方根RCS矢量和步骤S12得到的目标棱边绕复平方根RCS矢量进行叠加，得到总的目标复平方根RCS矢量，进而得到目标雷达散射截面σt；
所述总的目标复平方根RCS矢量的计算公式为：
Figure BDA0003926628340000033
其中，
Figure BDA0003926628340000034
指的是目标复平方根RCS矢量，
Figure BDA0003926628340000035
指的是目标面元复平方根RCS矢量，
Figure BDA0003926628340000036
为目标棱边绕射复平方根RCS矢量。
优选的，步骤S2具体包括以下步骤：
S21：基于面元基尔霍夫近似法，计算环境面元大尺度散射特征下的面元散射场，然后计算得到环境面元大尺度散射系数；
所述环境面元大尺度散射系数的计算公式如下：
Figure BDA0003926628340000037
其中，
Figure BDA0003926628340000038
指的是环境面元大尺度散射系数，Es指的是环境面元散射场，r为环境面元的水平分量，Em为入射波幅度，
Figure BDA0003926628340000039
指的是面元单位法向矢量，A指的是环境面元的面积；
S22：基于一阶小斜率近似法，计算得到环境面元小尺度散射系数；
所述环境面元小尺度散射系数的计算公式如下：
Figure BDA00039266283400000310
其中，
Figure BDA00039266283400000311
且a与b分别指的是散射波与入射波的极化方式，r指的是环境面的水平分量，C(r)指的是粗糙面的相关函数；
S23：将步骤S21得到的环境面元大尺度散射系数和步骤S22得到的环境面元小尺度散射系数叠加，得到总的环境散射系数，进而得到环境雷达散射截面σs；
所述总的环境散射系数的计算公式如下：
Figure BDA0003926628340000041
其中，Nx和Ny分别指的是两个方向上大面元的个数，
Figure BDA0003926628340000042
和
Figure BDA0003926628340000043
分别为照射天线和接收天线的方向图函数。
优选的，步骤S3具体包括以下步骤：
S31、利用kd-tree对目标场景进行分割，直到相关节点的三角面片数目满足分割停止的两个条件之一，则不再对目标场景进行分割，即建树停止，得到目标场景所对应的kd-tree；
S32、将目标场景中的每条射线从步骤S31得到的kd-tree的根节点开始，通过射线是否与目标包围盒相交来判断射线追踪能否继续进行下去，如果不相交则追踪停止，如果相交则遍历其各个子节点判断该射线与各个子节点是否相交，直到遇到叶子节点，得到每条射线的寻迹；
S33、利用SBR方法求得每条射线产生散射对应的耦合雷达散射截面的复平方根，然后得到总的耦合雷达散射截面的复平方根，进而得到耦合雷达散射截面σc；
所述每条射线产生散射对应的耦合雷达散射截面的复平方根的计算公式如下：
Figure BDA0003926628340000044
其中，rs表示入射天线位置矢量，k0表示入射波的波数，
Figure BDA0003926628340000045
表示第m次反射后的方向矢量，特别地，
Figure BDA0003926628340000051
r(m)表示第m次反射时反射点的位置矢量，特别地r(0)＝rs，
Figure BDA0003926628340000052
表示经过第n次反射后的电场矢量方向，RT0表示接受场点rT与目标中心r0之间的距离，
Figure BDA0003926628340000053
表示接受天线电场矢量；
所述总的耦合散射复平方根RCS为：
Figure BDA0003926628340000054
其中，Nr指的是射线的总数，
Figure BDA0003926628340000055
指的是射线在弹跳开始时即首次弹跳位置处对应的发射天线方向图因子，
Figure BDA0003926628340000056
指的是射线在离开模型位置处到达接收天线时对应的接收天线方向图因子，
Figure BDA0003926628340000057
指的是路径上面元的可见性函数，
Figure BDA0003926628340000058
指的是每条射线产生散射对应的耦合雷达散射截面的复平方根。
优选的，步骤S31中，所述两个条件分别为节点内部的三角形数量少于用户规定的数量以及树的深度超过了用户规定的最大深度。
本发明与现有技术相比，其有益效果在于：
(1)本发明提供的计算模型通过距离因子的设计，能够准确表征距离对目标-环境复合散射特性的影响；
(2)本发明提供的计算模型包含天线方向图对复合散射特性的加权，能更准确的描述目标-环境复合散射特性；
(3)本发明提出的目标与环境复合散射计算方法具有比较高的计算精度，X波段下的平均误差不超过3dB，Ku波段下的平均误差不超过4dB，能够使用目标不同高度、不同姿态、不同环境参数及目标与天线距离较小的条件。
附图说明
图1为本发明实施例中的球体模型剖分示意图；
图2为本发明实施例中的目标面元散射计算示意图；
图3为本发明实施例中的劈边的几何结构图；
图4为本发明实施例中的复合双尺度环境模型；
图5为本发明实施例中的环境散射坐标示意图；
图6为本发明实施例中的二维空间的kd-tree剖分示意图；
图7为本发明实施例中的kd-tree数据结构图；
图8为本发明实施例中的基于kd-tree的SBR算法流程图；
图9为本发明实施例中的SBR方法某一射线寻迹示意图
图10为本发明实施例中的第n次反射时的示意图；
图11为本发明实施例中的“四路径”模型示意图；
图12为本发明实施例中的复合散射计算模型示意图；
图13为待测目标高度为1m时的X波段VV极化下复合散射验证图；
其中，图13(a)为平静水面，高度1m，姿态0度；图13(b)为1级海清，高度1m，姿态0度；图13(c)为平静水面，高度1m，姿态45度；图13(d)为1级海清，高度1m，姿态45度；图13(e)为平静水面，高度1m，姿态90度；图13(f)为1级海清，高度1m，姿态90度；
图14为待测目标高度为3m时的X波段VV极化下复合散射验证图；
其中，图14(a)为平静水面，高度3m，姿态0度；图14(b)为1级海清，高度3m，姿态0度；图14(c)为平静水面，高度3m，姿态45度；图14(d)为1级海清，高度3m，姿态45度；图14(e)为平静水面，高度3m，姿态90度；图14(f)为1级海清，高度3m，姿态90度；
图15为待测目标高度为5m时的X波段VV极化下复合散射验证图；
其中，图15(a)为平静水面，高度5m，姿态0度；图15(b)为1级海清，高度5m，姿态0度；图15(c)为平静水面，高度5m，姿态45度；图15(d)为1级海清，高度5m，姿态45度；图15(e)为平静水面，高度5m，姿态90度；图15(f)为1级海清，高度5m，姿态90度；
图16为待测目标高度为1m时的Ku波段VV极化下复合散射验证图；
其中，图16(a)为平静水面，高度1m，姿态0度；图16(b)为1级海清，高度1m，姿态0度；图16(c)为平静水面，高度1m，姿态45度；图16(d)为1级海清，高度1m，姿态45度；图16(e)为平静水面，高度1m，姿态90度；图16(f)为1级海清，高度1m，姿态90度；
图17为待测目标高度为3m时的X波段VV极化下复合散射验证图；
其中，图17(a)为平静水面，高度3m，姿态0度；图17(b)为1级海清，高度3m，姿态0度；图17(c)为平静水面，高度3m，姿态45度；图17(d)为1级海清，高度3m，姿态45度；图17(e)为平静水面，高度3m，姿态90度；图17(f)为1级海清，高度3m，姿态90度；
图18为待测目标高度为5m时的X波段VV极化下复合散射验证图；
其中，图18(a)为平静水面，高度5m，姿态0度；图18(b)为1级海清，高度5m，姿态0度；图18(c)为平静水面，高度5m，姿态45度；图18(d)为1级海清，高度5m，姿态45度；图18(e)为平静水面，高度5m，姿态90度；图18(f)为1级海清，高度5m，姿态90度。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本发明实施例提供的目标-环境复合雷达散射截面计算模型的建立方法，具体包括以下步骤；
S1、利用目标散射计算方法对目标雷达散射截面进行计算，得到目标雷达散射截面σt，具体包括以下步骤：
S11：基于改进的物理光学法，计算得到目标面元复平方根RCS矢量；
散射计算方法通常要对计算对象的三维模型进行剖分，剖分时的基本单元多采用三角面元，这样剖分出的模型能够较好地模拟目标表面，球体模型剖分示意图如图1所示。
基于改进的物理光学法，目标面元散射电场计算公式如下：
Figure BDA0003926628340000081
其中，η0表示自由空间波阻抗，k0为自由空间波数，rS表示照射雷达所处位置矢量，rT表示接收雷达所处位置矢量，rC表示目标模型表面剖分后一个面元中心的位置矢量。
Figure BDA0003926628340000082
表示入射磁场的单位矢量方向，
Figure BDA0003926628340000083
为面元单位法向量，
Figure BDA0003926628340000084
表示rC-rS的单位矢量，
Figure BDA0003926628340000085
表示rT-rC的单位矢量，RCT＝|rC－rT|，RCS＝|rC－rS|，j为虚数单位；
其中，画横线的部分表示入射电场在面元rC处的幅度E0，积分号内的积分可以采用Gordon公式来计算，即
Figure BDA0003926628340000086
其中，j为，k0为自由空间波数，
Figure BDA0003926628340000087
Δai＝ai+1-ai，ai+1和ai分别表示第i条棱边的两端点处位置矢量。
则雷达与目标距离有限时的雷达散射截面的复平方根
Figure BDA0003926628340000088
可以表示为：
Figure BDA0003926628340000089
其中，RT0表示接收场点rT与目标中心r0之间的距离，
Figure BDA00039266283400000810
表示接收天线电场矢量，k0为自由空间波数；
结合PO法求得的散射电场表达式，
Figure BDA00039266283400000811
改写为：
Figure BDA00039266283400000812
对各面元的矢量
Figure BDA00039266283400000813
进行叠加，便能得到物理光学法下的目标面元复平方根RCS矢量，目标面元散射计算示意图如图2所示，目标面元复平方根RCS矢量的计算公式为：
Figure BDA0003926628340000091
其中，
Figure BDA0003926628340000092
指的是目标面元复平方根RCS矢量，
Figure BDA0003926628340000093
指的是面元i的可见性函数，
Figure BDA0003926628340000094
和
Figure BDA0003926628340000095
分别指的是入射天线方向性系数和接收天线方向性系数，
Figure BDA0003926628340000096
指的是第i个面元的雷达散射截面的复平方根，上式适用于雷达天线与目标之间距离变化时，远近场散射的计算。
S12：基于改进的物理绕射理论，计算得到目标棱边绕射复平方根RCS矢量；
如图3所示，电流在棱边处出现了导数不连续结构，这样会在棱边产生等效电磁流而产生绕射，Nπ为外劈角(N>1)，
Figure BDA0003926628340000097
为入射方向，
Figure BDA0003926628340000098
为观察方向，
Figure BDA0003926628340000099
是棱边的切向单位矢量，β表示
Figure BDA00039266283400000910
与
Figure BDA00039266283400000911
之间的夹角，β′表示
Figure BDA00039266283400000912
与
Figure BDA00039266283400000913
之间的夹角，φi和φs表示入射面和散射面分别与参考面之间的夹角。
棱边的等效电磁流可以通过物理绕射PTD导出的电磁流，其表达式为
Figure BDA00039266283400000914
Figure BDA00039266283400000915
和
Figure BDA00039266283400000916
这时棱边绕射电场的表达式为：
Figure BDA00039266283400000917
其中，Ie＝2j(t·Ei)f/(k0η0sin2βi)，Im＝2j(t·Hi)gη0/(k0sin2βi)，RdS与RdT表示棱边中心矢量rd与入射雷达位置矢量rs和接受雷达位置矢量rT的距离，f和g为Ufimtsev绕射系数项，这时，可以得到棱边绕射所产生的复平方根RCS：
Figure BDA00039266283400000918
对各棱边的绕射散射所产生的复平方根RCS进行叠加，得到目标棱边绕射复平方根RCS矢量，目标棱边绕射复平方根RCS矢量的计算公式为：
Figure BDA0003926628340000101
其中，
Figure BDA0003926628340000102
为目标棱边绕射复平方根RCS矢量，
Figure BDA0003926628340000103
和
Figure BDA0003926628340000104
分别指的是入射天线方向性系数和接收天线方向性系数，
Figure BDA0003926628340000105
指的是棱边i的可见性函数，
Figure BDA0003926628340000106
指的是第i个棱边的棱边绕射复平方根；
S13：将步骤S11得到的目标面元复平方根RCS矢量和步骤S12得到的目标棱边绕复平方根RCS矢量进行叠加，得到总的目标复平方根RCS矢量，进而得到目标雷达散射截面σt；
所述总的目标复平方根RCS矢量的计算公式为：
Figure BDA0003926628340000107
其中，
Figure BDA0003926628340000108
指的是目标复平方根RCS矢量，
Figure BDA0003926628340000109
指的是目标面元复平方根RCS矢量，
Figure BDA00039266283400001010
为目标棱边绕射复平方根RCS矢量。
S2、如图4和图5所示，利用双尺度方法对环境雷达散射截面进行计算，得到环境雷达散射截面σs，具体包括以下步骤：
S21：基于面元基尔霍夫近似法，计算环境面元大尺度散射特征下的面元散射场，然后计算得到环境面元大尺度散射系数；
环境面元大尺度散射特征下的面元散射场的计算公式如下：
Figure BDA00039266283400001011
Figure BDA00039266283400001012
Figure BDA0003926628340000111
zx＝－qx/qz
zy＝－qy/qz
Figure BDA0003926628340000112
Figure BDA0003926628340000113
其中，k0为自由空间波数，r为环境面的水平分量，Em为入射波幅度，
Figure BDA0003926628340000114
为表面法向单位矢量，
Figure BDA0003926628340000115
表示局部垂直极化与水平极化的入射波，
Figure BDA0003926628340000116
代表入射波的极化方式，Lx，Ly分别为面片在x轴和y轴上的投影，函数sinc(x)＝sin(x)/x。
利用以下公式可以求得这一面元上的散射系数，环境面元大尺度散射系数的计算公式如下：
Figure BDA0003926628340000117
其中，
Figure BDA0003926628340000118
指的是环境面元大尺度散射系数，Es指的是环境面元散射场，r为环境面元的水平分量，Em为入射波幅度，
Figure BDA0003926628340000119
指的是面元单位法向矢量，A指的是环境面元的面积；
S22：基于一阶小斜率近似(SSA1)法，计算得到得到环境面元小尺度散射系数：
所述环境面元小尺度散射系数的计算公式如下：
Figure BDA00039266283400001110
其中，
Figure BDA00039266283400001111
且a与b分别指的是散射波与入射波的极化方式，r指的是环境面的水平分量，C(r)指的是粗糙面的相关函数。
S23：将步骤S21得到的环境面元大尺度散射系数和步骤S22得到的环境面元小尺度散射系数叠加，得到总的环境散射系数，进而得到环境雷达散射截面σs；
所述总的环境散射系数的计算公式如下：
Figure BDA0003926628340000121
其中，Nx和Ny分别为两个方向上大面元的个数，
Figure BDA0003926628340000122
和
Figure BDA0003926628340000123
分别为照射天线和接收天线的方向图函数。
S3、利用基于kd-tree的SBR方法对耦合雷达散射截面进行计算，得到耦合雷达散射截面σc，具体计算步骤如下：
S31、利用kd-tree对目标场景进行分割，直到相关节点的三角面片数目满足分割停止的两个条件之一，则不再对目标场景进行分割，即建树停止，得到目标场景所对应的kd-tree，具体为：
利用kd-tree对目标场景进行分割，这里以二维空间的kd-tree为例，如图6所示，图中的三角形表示目标场景内部的三角面片，划分过程采用递归思想，尝试根据目标场景内三角面元的集中或疏散的程度来选择分割平面，并用分割平面将目标场景划分成多个小长方体，每个长方形内包含的三角面元数大体相等，这样划分的目的是使射线跟踪代价最小，通过不断地对目标场景进行分割，直到相关节点的三角面片数目满足分割停止的两个条件之一，即节点内部的三角形数量少于用户规定的数量或树的深度超过了用户规定的最大深度，则不再对目标场景进行分割，即建树停止，如果三角面片跨越分割面(如图中的三角面片t3)，相关的两个子节点就都需要包含这个三角面片，最终得到目标场景所对应的kd-tree；
S32、将目标场景中的每条射线从步骤S31得到的kd-tree的根节点开始，通过射线是否与目标包围盒相交来判断射线追踪能否继续进行下去，如果不相交则追踪停止，如果相交则遍历其各个子节点判断该射线与各个子节点是否相交，直到遇到叶子节点，得到每条射线的寻迹，具体为：
当目标场景的kd-tree剖分数据建立好以后，所有的入射射线和反射射线就能高效的进行追踪循迹，每条射线从步骤S31得到的kd-tree的根节点开始，如图7所示，通过射线是否与目标包围盒相交来判断射线追踪能否继续进行下去，如果不相交则追踪停止，如果相交则遍历其各个子节点判断该射线与各个子节点是否相交，直到遇到叶子节点，得到每条射线的寻迹；图8给出了射线寻迹的具体实现流程。从图9上可以看出：每条射线寻迹的过程是从根节点开始判断相交情况，渐渐深入至子节点，当射线与子节点在空间距离上满足一定条件后就会继续进入更深层的树结构，层次越深，与射线可能存在相交关系的三角面元数越少。kd-tree的优势是没有采用八叉树结构的大小相同的规则图形来划分，而是采用大小不规则的长方形来划分，这样能够平衡各射线寻迹中的时间开销；
S33、利用SBR方法求得每条射线产生散射对应的耦合雷达散射截面的复平方根，然后得到总的耦合雷达散射截面的复平方根，进而得到耦合雷达散射截面σc；
所述每条射线产生散射对应的耦合雷达散射截面的复平方根的计算公式如下：
Figure BDA0003926628340000131
其中，rs表示入射天线位置矢量，k0表示入射波的波数，
Figure BDA0003926628340000132
表示第m次反射后的方向矢量，特别地，
Figure BDA0003926628340000133
r(m)表示第m次反射时反射点的位置矢量，特别地r(0)＝rs，
Figure BDA0003926628340000134
表示经过第n次反射后的电场矢量方向，RT0表示接受场点rT与目标中心r0之间的距离，
Figure BDA0003926628340000135
表示接受天线电场矢量，则总的耦合散射复平方根RCS为：
Figure BDA0003926628340000141
其中，Nr指的是射线的总数，
Figure BDA0003926628340000142
指的是射线在弹跳开始时即首次弹跳位置处对应的发射天线方向图因子，
Figure BDA0003926628340000143
指的是射线在离开模型位置处到达接收天线时对应的接收天线方向图因子，
Figure BDA0003926628340000144
指的是路径上面元的可见性函数，
Figure BDA0003926628340000145
指的是每条射线产生散射对应的耦合雷达散射截面的复平方根，上述耦合雷达散射截面的具体计算步骤如下：
传统的SBR方法通常假设入射波为平面波，实际中，入射雷达与目标环境模型距离并非无穷大，因此入射波应当看作是球面波，并且雷达天线方向图也应当被考虑在内。
为了求得距离有限且包含天线方向图幅度加权的耦合散射计算公式。假设入射波的电场和磁场可以表示为：
Figure BDA0003926628340000146
其中，rs表示入射天线位置矢量，
Figure BDA0003926628340000147
和
Figure BDA0003926628340000148
分别表示入射波电场和磁场矢量方向，k0表示入射波的波数，
Figure BDA0003926628340000149
表示入射波矢量方向。计算经过n次弹跳后的入射波为：
Figure BDA00039266283400001410
Figure BDA00039266283400001411
其中，
Figure BDA00039266283400001412
表示第m次反射后的方向矢量，特别地，
Figure BDA00039266283400001413
r(m)表示第m次反射时反射点的位置矢量，特别地r(0)＝rs，
Figure BDA00039266283400001414
表示经过第n次反射后的电场矢量方向，可以通过以下公式进行计算：
Figure BDA00039266283400001415
其中，
Figure BDA00039266283400001416
和
Figure BDA00039266283400001417
分别表示第n次反射时垂直和平行极化波的反射系数，
Figure BDA00039266283400001418
和
Figure BDA0003926628340000151
分别表示电场水平分量和垂直分量方向。
图10为第n次反射时示意图，当经过第n次反射之后，射线停止弹跳而向自由空间中传播时，则需要将第n-1次的反射波当作在r(n)位置矢量处的入射波，并用PO计算方法计算其散射场，推导过程参见目标散射，最终得到：
Figure BDA0003926628340000152
其中，RCT＝|rT－r(n-1)|，表示第n-1次弹跳点的位置矢量r(n-1)与接收天线位置矢量rT的距离，另外，
Figure BDA0003926628340000153
Figure BDA0003926628340000154
再利用Gordon积分公式计算上式中的积分，最终得到每条射线对应的复平方根RCS，计算过程中仍然需要对面元进行可见性的判断，仍然可以采用Z-buffer技术，这样就可以求得其中一条射线产生散射对应的耦合雷达散射截面。
SBR方法求解耦合散射时适用于由若干平面拼接的结构。当拼接成的环境面构成类平面结构时，该方法其实就退化为一种更为简便的计算模型，即“四路径”模型。如图11所示，“四路径”模型能够计算得到目标散射、一次耦合散射(图中1和2路径)及二次耦合散射(图中3路径)。这样就能得到：
Figure BDA0003926628340000155
式中，ρ1＝ρsRv,h指的是1路径对应的复反射系数，ρ2＝ρsRv,h指的是2路径对应的复反射系数，ρ31＝ρsRv,h和ρ32＝ρsRv,h指的是3路径对应的两次反射计算得到的复反射系数，
Figure BDA0003926628340000156
及
Figure BDA0003926628340000157
表示的是3条路径下耦合散射的复平方根RCS。ρs为粗糙面反射因子，其表达式为：
Figure BDA0003926628340000158
其中，τ＝σhcosθi/λ，θi为入射角，σh为环境的均方根高度，λ为工作波长。
“四路径”模型是SBR方法的特殊情况，只计入了耦合比较强的若干次散射贡献，该方法实现的过程简单，非常适用于环境粗糙程度不高的情形，并且与SBR方法相比，其不存在寻迹的操作，因此计算效率很高。“四路径”模型通常被用来进行精度要求不高时的计算预估；而SBR方法虽然适用性广，但是射线寻迹的过程很耗时，并且随着弹跳次数的增加，耦合散射的贡献会因为耦合距离的增加，耦合强度迅速衰减，因此在实际应用过程中往往对其弹跳的次数进行限制，舍弃散射贡献比较弱的高次弹跳，这样能够极大地减少运算时间。
S4、根据步骤S1-S3分别得到的目标雷达散射截面σt、环境雷达散射截面σs和耦合雷达散射截面σc，得到复合雷达散射截面计算模型，如图12所示，所述复合雷达散射截面计算模型为：
Figure BDA0003926628340000161
其中，所述σt为目标雷达散射截面，σs为环境雷达散射截面，σc为耦合雷达散射截面。
下面对本发明实施例提供的复合雷达散射截面计算模型进行验证
将待测目标置于水面上方，目标高度分别为1m，3m和5m，目标轴向偏转角度分别为0度，45度和90度。设定工作频率在X波段，且水面相对介电常数为εr＝61–j33；工作频率在Ku波段，且相对介电常数为εr＝45–j38。
目标中心与发射/接收天线之间的距离为13米，水面大小为100米×60米，入射和接收均为VV极化，首先通过测量设备采集目标与环境复合散射截面积，并通过本发明实施例提供的复合雷达散射截面计算模型对目标与环境复合散射截面积进行计算，得到擦地角5度～45度范围内的后向散射截面积。测量和计算结果分别如图13-图18所示，通过图13-图18可以看出，本发明实施例提供的复合雷达散射截面计算模型具有比较高的计算精度。并且，目标的姿态对复合散射的结果影响非常大。X波段下的平均误差不超过3dB，Ku波段下的平均误差不超过4dB。同时还可以说明本发明实施例提供的复合雷达散射截面计算模型的精度是能够得到保证的，能够适用目标不同高度、不同姿态、不同环境参数及目标与天线距离较小的条件，适用范围比较广。
综上所述，本发明实施例提供的计算模型通过距离因子的设计，能够准确表征距离对目标-环境复合散射特性的影响；而且本发明提供的计算模型包含天线方向图对复合散射特性的加权，能更准确的描述目标-环境复合散射特性；同时本发明提出的目标与环境复合散射计算模型具有比较高的计算精度。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种目标-环境复合雷达散射截面计算模型的建立方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对目标雷达散射截面进行计算，得到目标雷达散射截面σt；
S2、对环境雷达散射截面进行计算，得到环境雷达散射截面σs；
S3、对耦合雷达散射截面进行计算，得到耦合雷达散射截面σc；
S4、根据步骤S1-S3分别得到的目标雷达散射截面σt、环境雷达散射截面σs和耦合雷达散射截面σc，得到复合雷达散射截面σ计算模型，所述复合雷达散射截面计算模型为：
Figure FDA0003926628330000011
其中，所述σt为目标雷达散射截面，σs为环境雷达散射截面，σc为耦合雷达散射截面，σ为复合雷达散射截面。
2.如权利要求1所述的目标-环境复合雷达散射截面计算模型的建立方法，其特征在于，步骤S1具体包括以下步骤：
S11：基于改进的物理光学法，计算得到目标面元复平方根RCS矢量；
所述目标面元复平方根RCS矢量的计算公式为：
Figure FDA0003926628330000012
其中，
Figure FDA0003926628330000013
指的是目标面元复平方根RCS矢量，
Figure FDA0003926628330000014
指的是面元i的可见性函数，
Figure FDA0003926628330000015
和
Figure FDA0003926628330000016
分别指的是入射天线方向性系数和接收天线方向性系数，
Figure FDA0003926628330000017
指的是第i个面元的雷达散射截面的复平方根；
S12：基于改进的物理绕射理论，计算得到目标棱边绕射复平方根RCS矢量；
所述目标棱边绕射复平方根RCS矢量的计算公式为：
Figure FDA0003926628330000021
其中，
Figure FDA0003926628330000022
为目标棱边绕射复平方根RCS矢量，
Figure FDA0003926628330000023
和
Figure FDA0003926628330000024
分别指的是入射天线方向性系数和接收天线方向性系数，
Figure FDA0003926628330000025
指的是棱边i的可见性函数，
Figure FDA0003926628330000026
指的是第i个棱边的棱边绕射复平方根；
S13、将步骤S11得到的目标面元复平方根RCS矢量和步骤S12得到的目标棱边绕复平方根RCS矢量进行叠加，得到总的目标复平方根RCS矢量，进而得到目标雷达散射截面σt；
所述总的目标复平方根RCS矢量的计算公式为：
Figure FDA0003926628330000027
其中，
Figure FDA0003926628330000028
指的是目标复平方根RCS矢量，
Figure FDA0003926628330000029
指的是目标面元复平方根RCS矢量，
Figure FDA00039266283300000210
为目标棱边绕射复平方根RCS矢量。
3.如权利要求1所述的目标-环境复合雷达散射截面计算模型的建立方法，其特征在于，步骤S2具体包括以下步骤：
S21：基于面元基尔霍夫近似法，计算环境面元大尺度散射特征下的面元散射场，然后计算得到环境面元大尺度散射系数；
所述环境面元大尺度散射系数的计算公式如下：
Figure FDA00039266283300000211
其中，
Figure FDA00039266283300000212
指的是环境面元大尺度散射系数，Es指的是环境面元散射场，r为环境面元的水平分量，Em为入射波幅度，
Figure FDA00039266283300000213
指的是面元单位法向矢量，A指的是环境面元的面积；
S22：基于一阶小斜率近似法，计算得到环境面元小尺度散射系数；
所述环境面元小尺度散射系数的计算公式如下：
Figure FDA0003926628330000031
其中，
Figure FDA0003926628330000032
且a与b分别指的是散射波与入射波的极化方式，r指的是环境面的水平分量，C(r)指的是粗糙面的相关函数；
S23：将步骤S21得到的环境面元大尺度散射系数和步骤S22得到的环境面元小尺度散射系数叠加，得到总的环境散射系数，进而得到环境雷达散射截面σs；
所述总的环境散射系数的计算公式如下：
Figure FDA0003926628330000033
其中，Nx和Ny分别指的是两个方向上大面元的个数，
Figure FDA0003926628330000034
和
Figure FDA0003926628330000035
分别为照射天线和接收天线的方向图函数。
4.如权利要求1所述的目标-环境复合雷达散射截面计算模型的建立方法，其特征在于，步骤S3具体包括以下步骤：
S31、利用kd-tree对目标场景进行分割，直到相关节点的三角面片数目满足分割停止的两个条件之一，则不再对目标场景进行分割，即建树停止，得到目标场景所对应的kd-tree；
S32、将目标场景中的每条射线从步骤S31得到的kd-tree的根节点开始，通过射线是否与目标包围盒相交来判断射线追踪能否继续进行下去，如果不相交则追踪停止，如果相交则遍历其各个子节点判断该射线与各个子节点是否相交，直到遇到叶子节点，得到每条射线的寻迹；
S33、利用SBR方法求得每条射线产生散射对应的耦合雷达散射截面的复平方根，然后得到总的耦合雷达散射截面的复平方根，进而得到耦合雷达散射截面σc；
所述每条射线产生散射对应的耦合雷达散射截面的复平方根的计算公式如下：
Figure FDA0003926628330000041
Figure FDA0003926628330000042
其中，rs表示入射天线位置矢量，k0表示入射波的波数，
Figure FDA0003926628330000043
表示第m次反射后的方向矢量，特别地，
Figure FDA0003926628330000044
r(m)表示第m次反射时反射点的位置矢量，特别地r(0)＝rs，
Figure FDA0003926628330000045
表示经过第n次反射后的电场矢量方向，RT0表示接受场点rT与目标中心r0之间的距离，
Figure FDA0003926628330000046
表示接受天线电场矢量；
所述总的耦合散射复平方根RCS为：
Figure FDA0003926628330000047
其中，Nr指的是射线的总数，
Figure FDA0003926628330000048
指的是射线在弹跳开始时即首次弹跳位置处对应的发射天线方向图因子，
Figure FDA0003926628330000049
指的是射线在离开模型位置处到达接收天线时对应的接收天线方向图因子，
Figure FDA00039266283300000410
指的是路径上面元的可见性函数，
Figure FDA00039266283300000411
指的是每条射线产生散射对应的耦合雷达散射截面的复平方根。
5.如权利要求4所述的目标-环境复合雷达散射截面计算模型的建立方法，其特征在于，步骤S31中，所述两个条件分别为节点内部的三角形数量少于用户规定的数量以及树的深度超过了用户规定的最大深度。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN116911164A (zh) * 2023-06-08 2023-10-20 西安电子科技大学 基于目标与背景分离散射数据的复合散射获取方法及装置
CN116908807A (zh) * 2023-09-13 2023-10-20 北京航空航天大学 基于信号耦合模型的蜂群无人机雷达散射截面计算方法
CN117350083A (zh) * 2023-12-04 2024-01-05 深圳十沣科技有限公司 一种超电大尺寸结构物的电磁散射特性的计算方法及装置

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116911164A (zh) * 2023-06-08 2023-10-20 西安电子科技大学 基于目标与背景分离散射数据的复合散射获取方法及装置
CN116911164B (zh) * 2023-06-08 2024-03-29 西安电子科技大学 基于目标与背景分离散射数据的复合散射获取方法及装置
CN116908807A (zh) * 2023-09-13 2023-10-20 北京航空航天大学 基于信号耦合模型的蜂群无人机雷达散射截面计算方法
CN116908807B (zh) * 2023-09-13 2023-12-08 北京航空航天大学 基于信号耦合模型的蜂群无人机雷达散射截面计算方法
CN117350083A (zh) * 2023-12-04 2024-01-05 深圳十沣科技有限公司 一种超电大尺寸结构物的电磁散射特性的计算方法及装置
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