專利名稱：獲得雷達截面積的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種雷達遙感技術(shù)，特別是一種獲得雷達截面積的方法。
背景技術(shù)：
在雷達應(yīng)用領(lǐng)域，計算復(fù)雜目標物體的散射對獲得目標物體的雷 達截面積有著重要的作用?，F(xiàn)有技術(shù)中存在大量的雷達截面積精確預(yù)
估方法，如MOM、 FEM、 FDTD,雖然通過這些方法獲得的雷達截面 積準確度很高，但是僅適用于低頻區(qū)和諧振區(qū)的求解。而在高頻區(qū)， 物體與電磁波局部上相互作用性很強，因此現(xiàn)有技術(shù)主要采用射線跟 蹤法近似計算復(fù)雜目標雷達截面積。所謂射線跟蹤法是指通過跟蹤射 線的路徑來判斷可見面，在搜索與射線相交的最近目標面元時，通過 構(gòu)造一定的面元存儲結(jié)構(gòu)來加速搜索過程。射線跟蹤法的主要優(yōu)勢是 計算靈活，可以計算多次反射，但它的主要缺點是速度慢，獲得的雷 達截面積的結(jié)果也不準確。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種在高頻段也能準確獲得雷達截面積的方 法，該方法不僅速度快，而且獲得的雷達截面積的結(jié)果也比較準確。
為了實現(xiàn)上迷發(fā)明目的，本發(fā)明實施例提供一種獲得雷達截面積 的方法，該方法包H-當平行射線投向目標面元后，獲取每條射線從入射到反射的路徑
參數(shù)；
根據(jù)獲取到的每條射線從入射到反射的路徑參數(shù)，獲取每條射線 投射面的反射場；
將獲得的反射場通過面元積分7>式S = 4exp[;)]dS獲得每 條射線投射面的散射場；
將獲得的每條射線投射面的散射場進行疊加；
所述積分公式S= I" exp「y&"-勻]dS中〖為入射方向矢量，？為散
射方向矢量，r為位置矢量。
本發(fā)明的有意效果不僅速度快、準確度較高，而且有利于多角 度多頻率多極化的高頻雷達截面積模擬，從而實現(xiàn)對高頻雷達圖象的 模擬。


圖l為射線反射效果圖2為本發(fā)明獲得雷達截面積的方法的流程圖3為通過BSP樹獲取射線路徑的方法流程圖；圖4為坐標示意
圖5為本發(fā)明實施例的角反射器點頻效果圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一 步地詳細描述。如圖2所示，本方法包括如下步驟
步驟l、當平行射線投向目標面元后，獲取每條射線從入射到反射 的路徑參數(shù)；
此處，如圖1先將大量的平行射線從傳感器投向目標，從而使得 射線均勻分布并且覆蓋整個目標。從射線的入射點，首先搜索與它相 交的最近的目標物體上的面元，求得交點，然后根據(jù)反射定理得到反 射線，如此反復(fù)跟蹤，直到射線最終反射離開目標物體。
在求解最近的相交點的過程中，釆用了層次數(shù)據(jù)劃分空間的方法， 即二叉空間劃分杉于BSP (Binary Space Partitioning Tree )。只于于平面的 分割，使用軸向剪裁平面，分割平面分別平行于三個坐標軸。在BSP 結(jié)構(gòu)中， 一個節(jié)點包含一個剪裁面，以及兩個子樹，這兩個子樹分別 包含位于剪裁面一側(cè)的所有面元數(shù)據(jù)。而在構(gòu)建BSP樹的過程中，需 要按照裁減面，將所有的模型分別放置在左右子樹中。分割面每次都 設(shè)置在中間。停止疊代的條件設(shè)置為單個子樹的面元數(shù)小于指定值或 者子樹層次大于指定值。
具體的方法如下
首先計算每一個三角面元的小包圍盒，也就是能夠包圍每個三角 面元的最小的立方體的一對頂點，稱為包圍盒的角點；再根據(jù)這些小 包圍盒的角點，計算所有面元的總的大包圍盒；在大包圍盒的x軸的 中心，建立分割面，將分割面左右的面元分別保存到左右子樹；在大 包圍盒的y軸的中心，建立分割面，將分割面左右的面元分別保存到 左右子樹；在大的包圍盒的z軸的中心，建立分割面，將分割面左右 的面元分別保存到左右子樹；射線與目標最近相交點的求解。通過BSP樹的構(gòu)造來加速這個搜
索過程。對BSP樹的節(jié)點，選取距離射線出射點近的子樹進行操作， 直至葉子節(jié)點，獲取葉子節(jié)點內(nèi)含有的面元與射線的交點。
具體的算法流程如圖3所示。
其中計算取，^，取，^， &—的定義及計算如下
首先根據(jù)初始點s與方向叾定義射線ray 。 BSP樹的當前節(jié)點為k, 其左子樹為^，其右子樹為A，包圍盒為6o:c，分割面為C。計算射 線與大包圍盒6ox的兩個交點^,;^以及射線ra_y與分割面C的交點 a。求^尋距離5/73、刷、(ja〈^2)。定義近子才對i^為射線初始點j 所在的子樹，另一個子樹為遠子樹i^。
對三種情況的定義如下 情況1: 取< 0或者>取。 情況2: 0〈取"; 。
情況3:除了情況1， 2。
1. 計算射線，"與大包圍盒的兩個交點A ， p2以及射線ray與分割面 C的交點a。求得距離 取，， 取(取,2)。定義近子樹/^為射 線初始點^所在的子樹，另一個子樹為遠子樹&。
2. 當滿足情況1取<0或者取>^2時，只對近子樹^繼續(xù)步驟1;滿 足情況2當0〈取"a時，只對遠子樹i^繼續(xù)步驟l。截至條件為到達 葉子節(jié)點《D。其余為第三種情況，先對近子樹i^，繼續(xù)步驟l;將遠 子樹i^壓入棧Z。
3. 到達葉子節(jié)點后，求射線m^與葉子節(jié)點i^包含的所有面元的相交 點，若有交點，選取最近的相交點，返回相交點。若無交點，并且當 前子樹為近子樹i^，上級子樹滿足情況三，則繼續(xù)對遠子樹i^進行步驟l。否則，從棧Z中取出子樹作為根節(jié)點，繼續(xù)l-3步驟。如果棧Z
為空，則返回，無交點。
按照上述流程，如果找到相交點后，從這個相交點出發(fā)沿著反射方向求得下一次的反射點直到反射次數(shù)超過指定值或者射線離開目標。根據(jù)以上流程，計算所有射線從出發(fā)到離開目標的路徑，并記錄下來。
在實際應(yīng)用中使用了兩個參數(shù)來規(guī)范射線的使用射線密度和最大反射次數(shù)。射線密度，是指單位波長內(nèi)的射線個數(shù)。射線密度最好是單個射線波長的一倍以下，射線密度小則計算時間短精度低。因為采用射線跟蹤求解電磁散射和GRECO方法都需要將面元離散化為較小像素性質(zhì)的面片。在離散情況下需要考慮面片的大小，為了精確起見，射線密度最好為一個射線波長的一倍以下，比如射線密度為一個射線波長的十分之一。這樣射線微小偏移就會與旁邊的射線重合，并且相鄰射線的貢獻差別不大，對起伏面元的計算都會很精確。最大反射次數(shù)，是指跟蹤射線的最大的反射次數(shù)。它是射線跟蹤階段，終止跟蹤的條件之一。在反射次數(shù)到達最大反射數(shù)而射線并未離開目標時終止跟蹤，這樣雖然降低了精度但可以提高效率。
步驟2、根據(jù)獲取到的每條射線從入射到反射的路徑參數(shù)，獲取每條射線投射面的反射場；
此處，得到射線在目標表面的反射路徑參數(shù)后，需要進一步求得射線投射面的反射場，而反射場的獲得主要使用幾何光學(xué)近似的方法，即近似認為射線沿直線傳播，并且強度不變。由于場強的初始值是電場在極化方向的分量，所以當射線遇到目標后，根據(jù)目標表面材料的不同，采用不同的介電常數(shù)來計算反射場，反射系數(shù)采用菲涅爾系數(shù)。具體方法為
根據(jù)獲取到的每條射線從入射到反射的路徑參數(shù)設(shè)置入射場。將 場強方向分解為TM、 TE波，分別計算TM、 TE波的反射系數(shù)，疊加 得到反射場極化系數(shù)r;。再將上一步的反射場作為入射場，再次計算 本步驟的反射場。從而反復(fù)計算直到達到最大反射次數(shù)或者射線離開
目標，得到最后的反射極化系數(shù)r^, r^投影到接收極化方向A, rv^。 最后計算每根射線的光程。每次反射，計算射線初始點到反射點的距
離。將所有的距離以及最后的反射點到接收處的距離相加得到一根 射線總的光程"gA^+Ar"其中"是反射次數(shù)，mox是最大的反射次數(shù)。
步驟3、將獲得的反射場通過面元積分公式5= f、exp 獲得每條射線投射面的散射場；
* (/ - S)
必
此處，在入射線的周圍以入射線為中心選取四根射線，跟蹤這四 條射線，直到最后一次反射，得到最后的四個出射點。根據(jù)這四個出 射位置計算形狀函數(shù)。形狀函數(shù)具體定義為
步/一<
其中/入射方向矢量，S為散射方向矢量，r是位置矢量。積分的范 圍是四個射線圍成的四邊形。根據(jù)矩形近似轉(zhuǎn)換為<formula>formula see original document page 9</formula>
步驟4、將獲得的每條射線投射面的散射場進行疊加<此處，每一條射線都進行場強、光程、面元積分計算，每條射線 的散射貢獻就可以通過這三個參數(shù)來求解。總的散射場為每一條射線 的貢獻的疊加。
疊加每一射線的散射求取總的電場貢獻具體為
&〃=
all rays
其中"是反射極化系數(shù)，A是接收的極化方向，5"是形狀函數(shù)，r 是總的光程。
如上式所示，將散射場投影到極化方向，并添加相應(yīng)的系數(shù)，就 得到雷達截面積。
實施例
本實施例以角反射器為例，因為角反射器是一種比較特殊的散射 體，由于三次散射，它在很大的角度范圍內(nèi)都有較大的散射貢獻。由 于這種特性，角反射器在雷達遙感中常用作定標物體。因此本文也選 擇了角反射器，通過計算其散射貢獻，驗證使用物理光學(xué)和幾何光學(xué) 法，對多次反射的散射機制建模的有效性。
本實施例中的角反射器邊長為射線波長的13倍，即13義；另一個 邊長為射線波長的5倍，即5A;分別在豎直與水平方向的一系列角度 進行了計算。最終的實驗結(jié)果與測量結(jié)果對比，最大的誤差在2dB之 內(nèi)，說明模擬結(jié)果有效可靠。對方位向上的90個不同角度進行1至4 步的RCS計算，獲取結(jié)果與真實數(shù)據(jù)進行對比。
如圖4所示系統(tǒng)坐標系建立在目標模型的坐標系上，目標設(shè)置在 原點O。尸點為傳感器，入射波的傳播方向為宛，水平極化方向為 3 = 5x^5，垂直極化方向為？=巧><3。成像的方向參數(shù)具體為^ 在"平面的投影與X軸的夾角叫做方位角6, OP與xy平面的夾角為俯仰 角^。
步驟1將模型釆用BSP樹進行組織。根據(jù)方位角和俯仰角確定空
間平行射線起始端的位置分布，而射線方向則指向目標。采用射線密
度等于單位射線波長的一條射線，對于18GHz的頻率對應(yīng)的波長為 1.7cm，這樣每隔1.7cm有一條射線發(fā)射。在距離物體800m的位置設(shè) 立一個平面，每條射線間隔1.7cm在垂直方向和水平方向上均勻分布。 射線能夠包圍整個目標。針對每條射線進行最近點的求解，采用BSP 樹進行加速。根據(jù)BSP樹中的根節(jié)點、入射線的起始點以及方向三個 參數(shù)作為輸入的條件進行最近點的求解，再根據(jù)射線、包圍盒以及分 割面三個參數(shù)求解相交點到射線起始點的距離。對反射后的方向作為 反射線進行再次跟蹤。如此反復(fù)，求解多次反射，反射次數(shù)最大為5 次作為射線跟蹤的參數(shù)。這樣得到單個射線的路徑，采用幾段射線來 表示，并包含反射面的法向、角點信息。對所有射線跟蹤得到一組射 線的路徑集合。這些信息傳遞到步驟二進行電磁計算。
步驟2根據(jù)上面射線的路徑信息進行電磁散射計算，采用HH極 化設(shè)置接收和發(fā)射的極化方向。對入射電場設(shè)置為1。從步驟1路徑中 獲取第一個相交點的信息，包含了相交面元的角點信息，相交點位置 以及材質(zhì)信息。通過角點計算面元的法向量H,反射線方向F-r + 2H。 光程計算為相交點位置到射線初始點的距離以及相交點到接收點的距 離。入射波可以分解為兩組獨立的電磁波，其中電矢量在入射面內(nèi)的 稱為TM波，電矢量垂直于入射面的稱為TE波。反射部分將場強方向 分解為TM、 TE波，分別計算TM、 TE波的反射系數(shù)，作為理想導(dǎo)體 來說都等于l，疊加得到反射場極化系數(shù)r;。對于單個射線，包含了 5次反射，對于每次反射需要求解反射的場強并作為下次入射場強求解 再次反射的場強。
步驟3是求解面元積分的步驟，采用了矩形近似，認為單條射線
所表示的射線束都經(jīng)過同一表面的反射。根據(jù)面元積分表示的代數(shù)式
sm
5 =緩一
丄Ai sin丄A:fF
2 、 ^ 2 、
丄就.(/_■ ) 丄經(jīng)-(" 2 、 ^ 2
式中的參數(shù)根據(jù)四條包圍射線
的位置求得，這四條包圍射線為從中心射線的初始點上下左右各移 1.7/2cm獲得，反復(fù)求解直到這次反射面，式中L和W分別為這四條 射線組成矩形的兩條邊。
步驟4根據(jù)步驟2、步驟3利用公式
all rays
獲得參數(shù)求解雷達截面積。所有射線的所有散射疊加得到總的散 射場。
最后通過改變方位角或者俯仰角獲得不同方位的雷達截面積，效 果如圖5所示，明顯的看出改進的算法可以得到^f艮好的雷達截面積計 算效果。
權(quán)利要求
1、一種獲得雷達截面積的方法，其特征在于，包括將平行射線投向目標，并獲取每條射線從入射到離開所述目標的路徑參數(shù)；根據(jù)獲取到的每條射線的所述路徑參數(shù)，獲取每條射線在投射面的反射場；將獲得的所述反射場根據(jù)第一面元積分公式進行積分以獲得每條射線在投射面的散射場，其中，為入射方向矢量，為散射方向矢量，r為位置矢量；將獲得的每條射線在投射面的散射場進行疊加，并根據(jù)疊加的結(jié)果獲得所述目標的雷達截面積。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的獲得雷達截面積的方法，其特征在于， 所述射線的射線密度為射線波長的一倍以下，所述射線密度為單位波 長內(nèi)的射線個數(shù)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的獲得雷達截面積的方法，其特征在于， 當所述積分的范圍是四個射線圍成的四邊形時，根據(jù)下述的由所述第 一面元積分公式轉(zhuǎn)換而成的第二面元積分公式進行所述積分的步驟sm丄A￡ ■ 1 / _ S1 2sin2，.1丄, 2,其中，L和W為沿平面寬度和長度方向的矢量,
4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的獲得雷達截面積的方法，其特征在于， 所述將獲得的每條射線在投射面的散射場進行疊加具體釆用如下公式進行<formula>formula see original document page 3</formula>其中r^是反射極化系數(shù)，A是接收的極化方向，6"是形狀函數(shù)，r 是總的光程。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種雷達遙感技術(shù)，特別是一種獲得雷達截面積的方法。所述方法包括當平行射線投向目標面元后，獲取每條射線從入射到反射的路徑參數(shù)；根據(jù)獲取到的每條射線從入射到反射的路徑參數(shù)，獲取每條射線投射面的反射場；將獲得的反射場通過面元積分公式S＝∫_S#-[1]exp[jkr(i-s)]dS獲得每條射線投射面的散射場；將獲得的每條射線投射面的散射場進行疊加；本發(fā)明的優(yōu)點是不僅速度快、準確度較高，而且有利于多角度多頻率多極化的高頻雷達截面積模擬，從而實現(xiàn)對高頻雷達圖像的模擬。
文檔編號G01S7/02GK101477195SQ20091000015
公開日2009年7月8日 申請日期2009年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月12日
發(fā)明者紅 張, 溫曉陽, 超 王 申請人:中國科學(xué)院對地觀測與數(shù)字地球科學(xué)中心