本發(fā)明涉及雷達(dá)目標(biāo)特性建模領(lǐng)域，尤其涉及一種基于四路徑模型的運(yùn)動目標(biāo)與地面復(fù)合散射建模方法。
背景技術(shù)：
：目標(biāo)的雷達(dá)散射截面(RadarCrossSection，RCS)分析預(yù)估是根據(jù)各種電磁散射理論研究場景產(chǎn)生散射場的各種機(jī)理，并且利用各種近似計算方法和計算機(jī)技術(shù)定量估計目標(biāo)的電磁散射特性。在實際中，目標(biāo)并不是獨(dú)立存在的，而是處于復(fù)雜的背景當(dāng)中。以行駛在水泥路面上的車輛目標(biāo)為例，由于車輛自身的復(fù)雜結(jié)構(gòu)及其與地面背景之間的多徑作用，使得其電磁散射特性極為復(fù)雜，使得對目標(biāo)雷達(dá)圖像的解釋、分析變得困難，進(jìn)而影響目標(biāo)的識別。因此，以地面目標(biāo)真實的散射機(jī)理為基礎(chǔ)，建立逼真的地面目標(biāo)散射模型，對于更有效地理解地面目標(biāo)的雷達(dá)圖像及實現(xiàn)目標(biāo)識別，具有重要意義。對現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行了國內(nèi)外數(shù)據(jù)庫的檢索，在中國專利“電大復(fù)雜體目標(biāo)與粗糙面背景復(fù)合電磁散射數(shù)值仿真方法”(申請?zhí)枺?00710173289.7)中提出了雙向彈跳射線法(BidirectionalAnalyticRayTracing，BART)，該方法將目標(biāo)與背景劃分為大面片，并通過從發(fā)射和接收兩個方向?qū)δ繕?biāo)區(qū)域進(jìn)行射線追蹤，來獲取目標(biāo)與背景的復(fù)合散射特性。但是由于其采用了大面片劃分，無法處理目標(biāo)及背景的精細(xì)建模，同時該方法無法處理運(yùn)動目標(biāo)與背景的散射特性建模問題。在中國專利“一種前向散射雷達(dá)地面運(yùn)動目標(biāo)信號建模及成像方法”(申請?zhí)枺?01010587979.9)中建立了一種地面運(yùn)動目標(biāo)的前向散射信號模型，該方法雖然考慮了目標(biāo)運(yùn)動、地面反射、大衍射角等實際情況，但未提及后向散射情況下的求解問題。在中國專利“基于互易性原理的粗糙面與目標(biāo)復(fù)合電磁散射仿真方法”(申請?zhí)枺?01310512166.7)中提出了一種基于互易性原理的粗糙面與目標(biāo)復(fù)合電磁散射仿真方法，但是該方法未提及運(yùn)動目標(biāo)與粗糙面背景的復(fù)合散射求解問題。目前，目標(biāo)與背景的復(fù)合散射建模一般采用目標(biāo)與背景的一體化電磁散射建模方法，即建立一體化的目標(biāo)與背景幾何模型，并根據(jù)目標(biāo)與背景材質(zhì)的信息設(shè)置不同的物理參數(shù)，利用數(shù)值或高頻方法對包含目標(biāo)與背景的場景散射特性進(jìn)行一體化電磁散射建模。該方法計算量大，計算過程比較耗時，且計算結(jié)果與特定的場景相對應(yīng)，不能作任何擴(kuò)展。例如，即使現(xiàn)有目標(biāo)模型的位置有很小的偏移，也需要根據(jù)新的場景參數(shù)完全重新計算。因此，該技術(shù)的適用性受到很大限制。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明提供一種基于四路徑模型的運(yùn)動目標(biāo)與地面復(fù)合散射建模方法，極大的簡化了運(yùn)算過程，減少了運(yùn)算量，同時可實現(xiàn)對移動目標(biāo)的復(fù)合散射建模，極大擴(kuò)展了適用范圍。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種基于四路徑模型的運(yùn)動目標(biāo)與地面復(fù)合散射建模方法，包含以下步驟：步驟S1、對目標(biāo)本體的雷達(dá)散射特性進(jìn)行建模，獲得目標(biāo)的直接散射回波；步驟S2、對地面背景的雷達(dá)散射特性進(jìn)行后向散射建模，獲得地面背景的直接散射回波；步驟S3、引入地面反射系數(shù)及地面粗糙度的影響，利用雙站散射方法進(jìn)行地面背景與目標(biāo)的多徑散射建模，獲得面背景與目標(biāo)之間的多徑散射回波；步驟S4、將目標(biāo)直接散射回波、地面直接散射回波、目標(biāo)與地面之間的多徑散射回波進(jìn)行相干累加，獲得地面背景與目標(biāo)的復(fù)合散射特性。所述的步驟S3中，地面背景與目標(biāo)之間的多徑散射貢獻(xiàn)表示為：Ec＝2ΓrΕ2ψ(1)式中，E2ψ表示雙站角為2倍擦地角ψ時的雙站散射貢獻(xiàn)；Γr為粗糙地面的反射系數(shù)；系數(shù)2表示存在兩種多徑散射路徑，即經(jīng)地面反射后再由目標(biāo)散射回到接收機(jī)的路徑，以及經(jīng)目標(biāo)反射后再由地面散射回到接收機(jī)的路徑；粗糙地面的反射系數(shù)Γr受到地面粗糙度的影響，表示為：Γr(H,V)＝Γ(H,V)·ρs(2)式中，Γ(H,V)為平面波入射到光滑平面的反射系數(shù)；ρs為同表面粗糙度有關(guān)的系數(shù)；定義粗糙度因子Γ為：Γ=σhsinψλ---(3)]]>式中，σh為表面高度的標(biāo)準(zhǔn)差，ψ為擦地角，λ為波長，則粗糙度系數(shù)為：ρs=exp(-8π2Γ2),0≤Γ≤0.10.8125371+8π2Γ2,Γ>0.1---(4)]]>平面波入射到光滑鏡面的反射系數(shù)為：ΓV=ϵsinψ-ϵ-cos2ψϵsinψ+ϵ-cos2ψΓH=sinψ-ϵ-cos2ψsinψ+ϵ-cos2ψ---(5)]]>式中，ψ為入射的擦地角，ε為表面的復(fù)介電常數(shù)。所述的步驟S4中，目標(biāo)與地面背景的復(fù)合散射中存在四種反射路徑：目標(biāo)直接散射路徑、地面背景直接散射路徑、經(jīng)地面反射后再由目標(biāo)散射回到接收機(jī)的路徑，以及經(jīng)目標(biāo)反射后再由地面散射回到接收機(jī)的路徑；在雷達(dá)入射方向選取一等相位面，以選取的等相位面為相位參考中心，各路徑的長度分別如下：目標(biāo)直接散射路徑：L1＝2b；兩條地面與目標(biāo)之間多徑反射路徑：L2＝2a+2b；地面背景直接散射路徑：L3＝2a+2b；其中，b為目標(biāo)中心到等相位面的距離；a為地面反射點(diǎn)到等相位面的距離；在多路徑條件下，雷達(dá)接收到的回波信號為來自上述各條路徑信號的矢量疊加：ES=ETe-jkL1+Ece-jkL2+EGe-jkL3---(6)]]>式中，ET代表目標(biāo)的直接散射回波；Ec代表地面背景與目標(biāo)之間的多徑散射回波；EG代表地面背景的直接散射回波；k＝2π/λ為波數(shù)。在運(yùn)動狀態(tài)下，若在某一時刻t，雷達(dá)相對于目標(biāo)本體坐標(biāo)系的俯仰角為θ，方位角為入射方向單位矢量為目標(biāo)相對于坐標(biāo)原點(diǎn)的位置矢量為r(t)，則該時刻由于目標(biāo)運(yùn)動而需要在目標(biāo)散射回波與多徑散射回波之上引入的相位該時刻的總散射場示為：ES=(ETe-jkL1+Ece-jkL2)e-jφ(t)+EGe-jkL3---(7)]]>式中，φ(t)為由于目標(biāo)運(yùn)動而引入的補(bǔ)償相位。本發(fā)明通過對地面背景散射、目標(biāo)散射、以及目標(biāo)與地面背景之間的多徑散射貢獻(xiàn)進(jìn)行獨(dú)立求解與相干累加，實現(xiàn)了地面背景與目標(biāo)的復(fù)合散射求解，是一種行之有效的目標(biāo)與背景復(fù)合散射特性建模方法，通過對各個散射分量的獨(dú)立求解，極大的簡化了運(yùn)算過程，減少了運(yùn)算量，同時通過引入補(bǔ)償相位的模式可實現(xiàn)目標(biāo)的移動，即使更換目標(biāo)模型也僅需對目標(biāo)散射及多徑散射兩種散射分量進(jìn)行重新計算，極大擴(kuò)展了適用范圍。附圖說明圖1是本發(fā)明提供的一種基于四路徑模型的運(yùn)動目標(biāo)與地面復(fù)合散射建模方法的流程圖。圖2是地面背景與目標(biāo)的復(fù)合散射示意圖。圖3是地面背景與目標(biāo)的多徑散射示意圖。圖4是車輛目標(biāo)本體二維像。圖5是水泥地面二維像。圖6是車輛與地面多徑散射二維像。圖7是靜止車輛與水泥地面之間的復(fù)合散射二維像。圖8是運(yùn)動狀態(tài)車輛目標(biāo)與水泥地面之間復(fù)合散射二維像。具體實施方式以下根據(jù)圖1～圖8，具體說明本發(fā)明的較佳實施例。如圖1所示，本發(fā)明提供一種基于四路徑模型的運(yùn)動目標(biāo)與地面復(fù)合散射建模方法，包含以下步驟：步驟S1、對目標(biāo)本體的雷達(dá)散射特性進(jìn)行建模，獲得目標(biāo)的直接散射回波；步驟S2、對地面背景的雷達(dá)散射特性進(jìn)行后向散射建模，獲得地面背景的直接散射回波；步驟S3、引入地面反射系數(shù)及地面粗糙度的影響，利用雙站散射方法進(jìn)行地面背景與目標(biāo)的多徑散射建模，獲得面背景與目標(biāo)之間的多徑散射回波；步驟S4、將目標(biāo)直接散射回波、地面直接散射回波、目標(biāo)與地面之間的多徑散射回波進(jìn)行相干累加，獲得地面背景與目標(biāo)的復(fù)合散射特性。所述的步驟S1中，在獲取包括俯仰角、方位角、頻率和帶寬等雷達(dá)成像仿真參數(shù)的基礎(chǔ)上，利用高頻電磁散射計算中的彈跳射線法或FEKO等商用軟件對目標(biāo)本體的雷達(dá)散射特性進(jìn)行仿真建模。所述的步驟S2中，在獲取地面的介電常數(shù)、粗糙度等參數(shù)的基礎(chǔ)上，利用處理粗糙面散射的經(jīng)典方法微擾法或基爾霍夫法對地面背景的雷達(dá)散射特性進(jìn)行建模。所述的步驟S3中，地面背景與目標(biāo)之間的多徑散射貢獻(xiàn)分為兩部分，一是經(jīng)地面反射后再由目標(biāo)散射回到接收機(jī)的貢獻(xiàn)，二是經(jīng)目標(biāo)反射后再由地面散射回到接收機(jī)的貢獻(xiàn)；圖2為地面背景與目標(biāo)之間的多徑散射示意圖，由圖可見經(jīng)地面反射后再由目標(biāo)散射回到雷達(dá)接收機(jī)的貢獻(xiàn)可以等效為由位于地面之下的虛像進(jìn)行入射再由實際雷達(dá)接收機(jī)接收的雙站散射，根據(jù)圖中幾何關(guān)系，該情況下雙站角為實際入射擦地角的2倍，而經(jīng)目標(biāo)反射后再由地面散射回到雷達(dá)接收機(jī)的貢獻(xiàn)可以等效為由實際雷達(dá)進(jìn)行入射，再由地面之下的雷達(dá)虛像進(jìn)行接收的雙站散射。針對地面與目標(biāo)之間的多徑散射，目標(biāo)處的出射電磁波相對于入射電磁波之間存在雙站角，可通過在雙站散射方法中引入地面反射系數(shù)及地面粗糙度的影響，來實現(xiàn)地面背景與目標(biāo)的多徑散射建模；根據(jù)雙站散射的對稱性原理，互換發(fā)射天線與接收天線的位置，雷達(dá)接收到的散射回波保持不變，因此地面背景與目標(biāo)之間的多徑散射貢獻(xiàn)可以表示為：Ec＝2ΓrΕ2ψ(1)式中，E2ψ表示雙站角為2倍擦地角ψ時的雙站散射貢獻(xiàn)；Γr為粗糙地面的反射系數(shù)；因為存在兩種多徑散射路徑，所以最終的散射場需要乘以系數(shù)2；粗糙地面的反射系數(shù)Γr受到地面粗糙度的影響，可以表示為：Γr(H,V)＝Γ(H,V)·ρs(2)式中，Γ(H,V)為平面波入射到光滑平面的反射系數(shù)；ρs為同表面粗糙度有關(guān)的系數(shù)；定義粗糙度因子Γ為：Γ=σhsinψλ---(3)]]>式中，σh為表面高度的標(biāo)準(zhǔn)差，ψ為擦地角，λ為波長，則粗糙度系數(shù)為：ρs=exp(-8π2Γ2),0≤Γ≤0.10.8125371+8π2Γ2,Γ>0.1---(4)]]>平面波入射到光滑鏡面的反射系數(shù)為：ΓV=ϵsinψ-ϵ-cos2ψϵsinψ+ϵ-cos2ψΓH=sinψ-ϵ-cos2ψsinψ+ϵ-cos2ψ---(5)]]>式中，ψ為入射的擦地角，ε為表面的復(fù)介電常數(shù)。所述的步驟S4中，地面背景與目標(biāo)的復(fù)合散射貢獻(xiàn)分為四個部分：地面散射貢獻(xiàn)、目標(biāo)散射貢獻(xiàn)、經(jīng)地面反射后再由目標(biāo)散射回到接收機(jī)的貢獻(xiàn)，以及經(jīng)目標(biāo)反射后再由地面散射回到接收機(jī)的貢獻(xiàn)；圖3為地面背景與目標(biāo)的復(fù)合散射示意圖，由圖可見總散射場的貢獻(xiàn)分為四個部分：地面散射貢獻(xiàn)D1、目標(biāo)散射貢獻(xiàn)D4、經(jīng)地面反射后再由目標(biāo)散射回到接收機(jī)的貢獻(xiàn)D2，以及經(jīng)目標(biāo)反射后再由地面散射回到接收機(jī)的貢獻(xiàn)D3；在雷達(dá)入射方向選取一等相位面，假定目標(biāo)中心到等相位面的距離為b；沿入射方向入射的射線，經(jīng)地面反射后投射到目標(biāo)中心，其中地面反射點(diǎn)到等相位面的距離為a；目標(biāo)與地面背景的復(fù)合散射中存在四種可能的反射路徑，每一條路徑的長度各不相同，以選取的等相位面為相位參考中心，各路徑的長度分別如下：目標(biāo)直接散射路徑：L1＝2b；地面與目標(biāo)之間多徑反射路徑(兩條)：L2＝2a+2b；地面背景直接散射路徑：L3＝2a+2b；此外，由于三種路徑的距離中均有2b，因此可以忽略，此時所選取的相位參考中心為目標(biāo)中心；在多路徑條件下，雷達(dá)接收到的回波信號為來自上述各條路徑信號的矢量疊加：ES=ETe-jkL1+Ece-jkL2+EGe-jkL3---(6)]]>式中，ET代表目標(biāo)的直接散射回波；Ec代表地面背景與目標(biāo)之間的多徑散射回波；EG代表地面背景的直接散射回波；k＝2π/λ為波數(shù)；在運(yùn)動狀態(tài)下，目標(biāo)運(yùn)動使得在雷達(dá)成像的合成孔徑時間內(nèi)目標(biāo)中心相對于坐標(biāo)原點(diǎn)發(fā)生位置偏移，從而造成目標(biāo)散射回波以及地面背景與目標(biāo)之間的多徑散射回波的相位偏移；若在某一時刻t，雷達(dá)相對于目標(biāo)本體坐標(biāo)系的俯仰角為θ，方位角為入射方向單位矢量為目標(biāo)相對于坐標(biāo)原點(diǎn)的位置矢量為r(t)，則該時刻由于目標(biāo)運(yùn)動而需要在目標(biāo)散射回波與多徑散射回波之上引入的相位該時刻的總散射場可以表示為：ES=(ETe-jkL1+Ece-jkL2)e-jφ(t)+EGe-jkL3---(7)]]>式中，φ(t)為由于目標(biāo)運(yùn)動而引入的補(bǔ)償相位。以下通過一個具體實施例來說明本發(fā)明，利用本發(fā)明提供的一種基于四路徑模型的運(yùn)動目標(biāo)與地面復(fù)合散射建模方法對在水泥地面上行駛的車輛進(jìn)行復(fù)合散射建模，包含以下步驟：步驟S1、對車輛的雷達(dá)散射特性進(jìn)行建模；如圖4所示，所選取車輛目標(biāo)模型長度約為5m，高度約2.1m，寬度約2.3m；以頻率f＝9.5GHz～9.7GHz，掃頻步長1MHz，俯仰角θ＝45°，方位角掃角步長為參數(shù)，計算車輛目標(biāo)的二維雷達(dá)像；步驟S2、對水泥地面的雷達(dá)散射特性進(jìn)行后向散射建模；如圖5所示，針對長度(X軸向)為64m，寬度(Y軸向)為48m，相對介電常數(shù)起伏幅度因子δr＝0.00013的水泥地面，采用與車輛目標(biāo)成像相同的仿真參數(shù)，對水泥地面的二維像進(jìn)行仿真；步驟S3、利用雙站散射方法進(jìn)行地面背景與車輛的多徑散射建模；如圖6所示，由位于地面之下的虛像進(jìn)行入射再由實際雷達(dá)接收機(jī)接收的雙站散射來等效地面與目標(biāo)之間的多徑散射貢獻(xiàn)，在與車輛和水泥地面相同的仿真參數(shù)下獲取車輛目標(biāo)與水泥地面之間多徑散射所形成的二維雷達(dá)像；步驟S4、利用四路徑模型對地面背景與車輛的復(fù)合散射特性進(jìn)行建模；如圖7所示，通過對各種路徑散射貢獻(xiàn)的相干累加實現(xiàn)地面背景與目標(biāo)的復(fù)合散射求解，獲取了靜止?fàn)顟B(tài)車輛與水泥地面的復(fù)合散射二維像；如圖8所示，以坐標(biāo)原點(diǎn)O為起點(diǎn)，車輛以10m/s的速度沿著X軸正方向運(yùn)動，合成孔徑時間Ta＝2.4s時，獲得運(yùn)動狀態(tài)車輛與水泥地面的復(fù)合散射二維像。本發(fā)明通過對地面背景散射、目標(biāo)散射、以及目標(biāo)與地面背景之間的多徑散射貢獻(xiàn)進(jìn)行獨(dú)立求解與相干累加，實現(xiàn)了地面背景與目標(biāo)的復(fù)合散射求解，是一種行之有效的目標(biāo)與背景復(fù)合散射特性建模方法。本發(fā)明通過對各個散射分量的獨(dú)立求解，極大的簡化了運(yùn)算過程，減少了運(yùn)算量，同時通過引入補(bǔ)償相位的模式可實現(xiàn)目標(biāo)的移動，即使更換目標(biāo)模型也僅需對目標(biāo)散射及多徑散射兩種散射分量進(jìn)行重新計算，極大擴(kuò)展了適用范圍。盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過上述優(yōu)選實施例作了詳細(xì)介紹，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到上述的描述不應(yīng)被認(rèn)為是對本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來限定。當(dāng)前第1頁1 2 3