本發(fā)明涉及雷達(dá)目標(biāo)特性建模領(lǐng)域，特別涉及一種目標(biāo)強(qiáng)散射源RCS提取算法。
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目標(biāo)產(chǎn)生散射場的各種機(jī)理，并且利用各種近似計(jì)算方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)定量估計(jì)目標(biāo)的電磁散射特性。典型目標(biāo)存在的主要散射機(jī)理包括鏡面反射、邊緣繞射、尖頂或角點(diǎn)繞射、爬行波或蠕動波繞射、行波繞射、部件間多次反射、腔體散射、天線模式反射等。通過對各種典型目標(biāo)散射機(jī)理的研究可以為復(fù)雜目標(biāo)的近場、遠(yuǎn)場散射建模和近遠(yuǎn)場轉(zhuǎn)換等提供數(shù)據(jù)來源，為耦合雜波消除、測量等提供基礎(chǔ)。對現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行了國內(nèi)外數(shù)據(jù)庫的檢索，在國家發(fā)明專利“一種基于SBR與PO技術(shù)的強(qiáng)散射中心計(jì)算方法”(申請?zhí)枺?01210369967.8)中提出通過射線追蹤和物理光學(xué)進(jìn)行熱點(diǎn)計(jì)算，獲得能給出目標(biāo)表面每個(gè)面元的RCS貢獻(xiàn)的分布圖，通過比較熱點(diǎn)圖定位強(qiáng)散射部位。該方法將熱點(diǎn)貢獻(xiàn)附在目標(biāo)三維模型表面，可直觀的分析強(qiáng)散射貢獻(xiàn)部位，但無法定量獲取目標(biāo)強(qiáng)散射中心的RCS值。在國家發(fā)明專利“雷達(dá)目標(biāo)的散射中心提取方法及系統(tǒng)”(申請?zhí)枺?01410016438.9)中針對獲取一維距離像歷程圖每個(gè)縱坐標(biāo)的絕對值大于設(shè)定閾值的像元，根據(jù)像元的橫縱坐標(biāo)計(jì)算出散射中心所在區(qū)域，實(shí)現(xiàn)不同類型散射中心的提取。該方法可以實(shí)現(xiàn)不同類型散射中心的關(guān)聯(lián)，但是同樣無法獲取散射中心對應(yīng)的RCS值。在國家發(fā)明專利“一種艦船穩(wěn)定散射結(jié)構(gòu)分析方法”(申請?zhí)枺?01510729299.9)中將艦船實(shí)體部件分解，并在射線追蹤過程中按照路徑不同對射線進(jìn)行歸類、分集，從而建立實(shí)體部件與目標(biāo)散射特性之間的映射關(guān)系。但是由于該方法在電磁散射建模過程中采用了基于射線光學(xué)的彈跳射線法，僅能對平板等鏡面反射以及部件間的多次反射等強(qiáng)散射源進(jìn)行分析，無法對邊緣繞射、爬行波、尖頂繞射等復(fù)雜散射機(jī)理進(jìn)行分析。目前，目標(biāo)強(qiáng)散射源RCS求解一般采用直接方法，即針對復(fù)雜目標(biāo)中的強(qiáng)散射結(jié)構(gòu)，根據(jù)其散射機(jī)理，采用高頻或數(shù)值方法對該結(jié)構(gòu)的電磁散射特性進(jìn)行建模，從而獲取目標(biāo)中強(qiáng)散射源的RCS特性。該方法可實(shí)現(xiàn)對平板、多次反射結(jié)構(gòu)等強(qiáng)散射源的RCS求解，但無法對尖頂繞射、爬行波等復(fù)雜散射機(jī)理進(jìn)行分析。同時(shí)該方法針對各類散射分量需利用專門程序獨(dú)立進(jìn)行求解，無法同時(shí)獲取復(fù)雜目標(biāo)中各類散射分量的RCS。因此，該技術(shù)的適用性受到很大限制。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是提供一種目標(biāo)強(qiáng)散射源RCS提取算法，通過對一幅雷達(dá)圖像的反演可以同時(shí)獲取目標(biāo)中多個(gè)強(qiáng)散射源所對應(yīng)的RCS，極大擴(kuò)展了適用范圍。為了實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種目標(biāo)強(qiáng)散射源RCS提取算法，其特點(diǎn)是，該方法包含如下步驟：S1，對目標(biāo)的一維距離像進(jìn)行建模；S2，根據(jù)對目標(biāo)所存在的各類散射機(jī)理及其所在徑向位置的分析，,建立目標(biāo)中各類散射機(jī)理與一維距離像中各峰值之間的映射關(guān)系，并對各散射機(jī)理對應(yīng)的一維距離像進(jìn)行提?。籗3，根據(jù)目標(biāo)中強(qiáng)散射源所對應(yīng)的一維距離像提取結(jié)果，采用離散傅里葉變換處理方法獲取所述強(qiáng)散射源所對應(yīng)的RCS。在步驟S1之前還包含：步驟S0，根據(jù)仿真計(jì)算頻段和仿真算法要求，將目標(biāo)實(shí)體模型按不同尺寸劃分網(wǎng)格，建立用于電磁散射特性計(jì)算的目標(biāo)數(shù)字化面元網(wǎng)格模型。所述的步驟S1具體為：根據(jù)成像參數(shù)采用高頻或數(shù)值算法，對目標(biāo)的掃頻RCS進(jìn)行仿真，并通過離散傅里葉逆變換處理實(shí)現(xiàn)目標(biāo)一維距離像的建模。所述的步驟S1中雷達(dá)的掃頻步長滿足：其中，Δf為步進(jìn)頻率，c為光速，D為目標(biāo)的最大。所述的步驟S1中采用公式(4)(5)求解得出RCS，其中，g為自由空間的格林函數(shù)；為表面電流；j為虛數(shù)單位；ω為頻率；μ為磁導(dǎo)率；ε為介電常數(shù)；ρ為電荷密度；其中，j為虛數(shù)單位；k為波數(shù)；η為自由空間波阻抗；為表面電流；g為自由空間格林函數(shù)；所述的RCS為：σ=limr→∞4πr2|Es|2|Ei|2---(6)]]>式中，Es為雷達(dá)接收機(jī)處的目標(biāo)散射場；Ei為目標(biāo)處的入射場。所述的步驟S1中通過一維離散傅里葉逆變換得到各個(gè)距離單元上目標(biāo)散射中心的分布，即：A(rk)=Σi=0N-1XM(fvi)ej4πfvicrk,k=0,1,...,M-1---(7)]]>式(7)中，假設(shè)此擴(kuò)展目標(biāo)一維距離像在徑向包含M個(gè)采樣點(diǎn)；回波信號包含N個(gè)頻點(diǎn)的信息；A(rk)為目標(biāo)的散射中心沿著徑向距離的分布特性；XM(fvi)為目標(biāo)總的回波信號；rk為編號為k的徑向位置處相對于參考距離中心的距離，fvi為頻率。所述的步驟S2中對各散射機(jī)理對應(yīng)的一維距離像進(jìn)行提取后，強(qiáng)散射源所對應(yīng)的一維距離像為：A′(rk)=A(rk)rk∈I′σminrk∉I′---(8)]]>式中，A(rk)為目標(biāo)所對應(yīng)一維距離像中RCS值沿著徑向距離的分布特性；A′(rk)為某一強(qiáng)散射源所對應(yīng)的一維距離像中RCS值沿著徑向距離的分布特性；σmin為目標(biāo)所對應(yīng)一維距離像中沿徑向分布RCS的最小值；I′為該強(qiáng)散射源在目標(biāo)一維距離像中所對應(yīng)的徑向位置區(qū)間。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：在該方法中，可對鏡面反射分量、多次反射分量、棱邊繞射分量，以及爬行波分量等各類散射分量進(jìn)行RCS反演；同時(shí)該方法通過對一幅雷達(dá)圖像的反演可以同時(shí)獲取目標(biāo)中多個(gè)強(qiáng)散射源所對應(yīng)的RCS，極大擴(kuò)展了適用范圍。附圖說明圖1為一個(gè)典型錐球體的幾何模型；圖2a為對錐球體模型進(jìn)行仿真所得的錐球體RCS幅度隨頻率的變化曲線；圖2b為對錐球體模型進(jìn)行仿真所得的錐球體RCS相位隨頻率的變化曲線；圖3為錐球體的一維距離像；圖4為爬行波散射貢獻(xiàn)所對應(yīng)的一維距離像；圖5a經(jīng)提取后的爬行波散射貢獻(xiàn)所對應(yīng)的RCS幅度隨頻率的變化曲線；圖5b經(jīng)提取后的爬行波散射貢獻(xiàn)所對應(yīng)的RCS相位隨頻率的變化曲線圖6為錐體與半球體不連續(xù)處散射貢獻(xiàn)所對應(yīng)的一維距離像；圖7a為不連續(xù)處散射貢獻(xiàn)所對應(yīng)RCS幅度隨頻率的變化曲線；圖7b為不連續(xù)處散射貢獻(xiàn)所對應(yīng)RCS相位隨頻率的變化曲線；圖8為尖頂繞射分量所對應(yīng)的一維距離像；圖9a為尖頂繞射所對應(yīng)RCS幅度隨著頻率的變化曲線；圖9b為尖頂繞射所對應(yīng)RCS相位隨著頻率的變化曲線；圖10a為將錐球體中尖頂繞射、錐體與半球體不連續(xù)處散射以及半球體爬行波散射貢獻(xiàn)所對應(yīng)的RCS幅度相累加所得結(jié)果與仿真所得結(jié)果的比較圖；圖10b為將錐球體中尖頂繞射、錐體與半球體不連續(xù)處散射以及半球體爬行波散射貢獻(xiàn)所對應(yīng)的RCS相位相累加所得結(jié)果與仿真所得結(jié)果的比較圖；圖11為本發(fā)明一種目標(biāo)強(qiáng)散射源RCS提取算法的流程圖。具體實(shí)施方式以下結(jié)合附圖，通過詳細(xì)說明一個(gè)較佳的具體實(shí)施例，對本發(fā)明做進(jìn)一步闡述。如圖11所示，一種目標(biāo)強(qiáng)散射源RCS提取算法，該方法包含如下步驟：S1，對目標(biāo)的一維距離像進(jìn)行建模；S2，根據(jù)對目標(biāo)所存在的各類散射機(jī)理及其所在徑向位置的分析(本實(shí)施例中對錐球體目標(biāo)存在的爬行波散射、錐體與半球體不連續(xù)處散射、尖頂繞射進(jìn)行分析)，建立目標(biāo)中各類散射機(jī)理與一維距離像中各峰值之間的映射關(guān)系，并對各散射機(jī)理對應(yīng)的一維距離像進(jìn)行提??；S3，根據(jù)目標(biāo)中強(qiáng)散射源所對應(yīng)的一維距離像提取結(jié)果，采用離散傅里葉變換處理方法獲取所述強(qiáng)散射源所對應(yīng)的RCS。在步驟S1之前還包含：步驟S0，根據(jù)仿真計(jì)算頻段和仿真算法要求，將目標(biāo)實(shí)體模型按不同尺寸劃分網(wǎng)格，建立用于電磁散射特性計(jì)算的目標(biāo)數(shù)字化面元網(wǎng)格模型，參見圖1建立錐球體的幾何模型，該錐球體沿著X軸方向的尺寸為1.9m，包含兩個(gè)部分，一為位于正X軸方向的半徑為0.4m的半球，另一部分為位于負(fù)X軸方向的長度為1.5m的錐體。上述的步驟S1具體為：根據(jù)成像參數(shù)采用高頻或數(shù)值算法，對目標(biāo)的掃頻RCS進(jìn)行仿真，并通過離散傅里葉逆變換處理實(shí)現(xiàn)目標(biāo)一維距離像的建模，參見圖2a、2b，其采用MLFMA算法，以頻率f＝1GHz～3GHz，掃頻步長20MHz，俯仰角θ＝90°，方位角為參數(shù)，對目標(biāo)的掃頻RCS進(jìn)行仿真，圖3為錐球體的一維距離像，根據(jù)對錐球體中所存在的各類散射機(jī)理及其所在徑向位置的分析，建立了錐球體中各類散射機(jī)理與高分辨率一維距離像中各峰值之間的映射關(guān)系，散射中心A為錐球體中的尖頂繞射分量，B為錐體與半球體之間不連續(xù)所形成的散射中心，C為半球體爬行波所形成的散射中心。電磁成像仿真是電磁計(jì)算結(jié)果的多維化反演。不論電磁計(jì)算所得的是目標(biāo)近場分布還是遠(yuǎn)區(qū)散射場，都可以通過逆過程反演出目標(biāo)圖像，所得圖像的分辨率取決于場值信息的豐富程度。在成像計(jì)算中，掃頻參數(shù)與雷達(dá)像的斜距向(徑向)分辨率直接相關(guān)，掃角參數(shù)與雷達(dá)像方位向(橫向)分辨率直接相關(guān)。如圖4、6、8所示，本實(shí)施例中步驟S2具體通過對錐球體目標(biāo)存在的爬行波散射、錐體與半球體不連續(xù)處散射、尖頂繞射進(jìn)行分析，為了獲取隨徑向距離變化的雷達(dá)圖像信息，需要首先獲取隨頻率變化的RCS特性；同時(shí)為了避免一維距離像中產(chǎn)生散射中心的模糊及混疊現(xiàn)象，需對雷達(dá)的頻率掃描參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以滿足成像分辨率及那奎斯特采樣率的要求。掃頻參數(shù)主要包括載頻、掃頻步長及帶寬。其中，掃頻步長是由那奎斯特采樣率決定，它確定了雷達(dá)像窗口在斜距方向(徑向)上的范圍。一般的，雷達(dá)像窗口在徑向的寬度為L=c2Δf---(9)]]>式中，Δf為步進(jìn)頻率，也即掃頻間隔；c為光速。若目標(biāo)的最大尺寸為D，顯然要L≥D，才能保證目標(biāo)在徑向完全位于雷達(dá)窗口內(nèi)，從而不引起一維距離像的混疊，此時(shí)掃頻步長應(yīng)該滿足Δf≤c2D---(10)]]>只有滿足式(10)時(shí)，才能保證目標(biāo)在斜距向完全位于雷達(dá)窗口之內(nèi)，而不會發(fā)生混疊現(xiàn)象。掃頻帶寬決定雷達(dá)像的徑向距離分辨率。若雷達(dá)波形帶寬為B，則其徑向距離分辨率為δr=c2B---(11)]]>在仿真中，為了能對復(fù)雜目標(biāo)的各種散射機(jī)理進(jìn)行建模，采用了數(shù)值算法中的多層快速多極子算法(Multi-LevelFastMultipleAlgorithm，MLFMA)。多層快速多極子算法是基于矩量法(MethodofMoments，MOM)發(fā)展起來的一種積分方程方法，它的計(jì)算精度比較高，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜目標(biāo)中的各種散射機(jī)理的建模。多層快速多極子算法是基于對Stratton-Chu方程的求解實(shí)現(xiàn)的。由Stratton-Chu積分方程表示的散射電場為：其中，g為自由空間的格林函數(shù)；為表面電流；j為虛數(shù)單位；ω為頻率；μ為磁導(dǎo)率；ε為介電常數(shù)；ρ為電荷密度；由電流連續(xù)方程，散射場可改寫為其中，j為虛數(shù)單位；k為波數(shù)；η為自由空間波阻抗；為表面電流；g為自由空間格林函數(shù)；根據(jù)式(4)(5)雷達(dá)散射截面積RCS為：σ=limr→∞4πr2|Es|2|Ei|2---(13)]]>式中，Es為雷達(dá)接收機(jī)處的目標(biāo)散射場；Ei為目標(biāo)處的入射場。由雷達(dá)信號處理理論，可知：在步進(jìn)頻率波形雷達(dá)中，隨步進(jìn)頻率變化的目標(biāo)回波同目標(biāo)的一維距離像之間構(gòu)成一對離散傅里葉變換(DFT)關(guān)系。因此，為了得到各個(gè)距離單元上目標(biāo)散射中心的分布，可以通過一維離散傅里葉逆變換(IDFT)來實(shí)現(xiàn)，即步驟S1中通過一維離散傅里葉逆變換得到各個(gè)距離單元上目標(biāo)散射中心的分布：A(rk)=Σi=0N-1XM(fvi)ej4πfvicrk,k=0,1,...,M-1---(14)]]>式(7)中，假設(shè)此擴(kuò)展目標(biāo)一維距離像在徑向包含M個(gè)采樣點(diǎn)；回波信號包含N個(gè)頻點(diǎn)的信息；A(rk)為目標(biāo)的散射中心沿著徑向距離的分布特性；XM(fvi)為目標(biāo)總的回波信號；rk為編號為k的徑向位置處相對于參考距離中心的距離，fvi為頻率。根據(jù)電磁散射理論對目標(biāo)存在的散射機(jī)理進(jìn)行分析。以坐標(biāo)原點(diǎn)為中心，根據(jù)各類散射機(jī)理所處的位置以及電磁波傳播路徑，對各類散射機(jī)理在一維距離像中所對應(yīng)的徑向位置進(jìn)行求解。以平板散射機(jī)理為例，其在徑向的投影位置即為散射中心在一維距離像中的位置；而對于角反射器類散射機(jī)理，其兩個(gè)反射面的交線的徑向位置即為其在一維距離像中的位置；對于爬行波類散射機(jī)理，從相位參考中心出發(fā)的電磁波沿著球面?zhèn)鞑ピ俅畏祷氐认辔幻嫠?jīng)過路程的一半，即為該散射機(jī)理所對應(yīng)散射中心在一維距離像中的徑向位置。其它各類散射機(jī)理在一維距離像中所對應(yīng)位置可采用相似的方法分析獲得。根據(jù)對目標(biāo)所存在的各類散射機(jī)理及其所在徑向位置的分析，可以建立目標(biāo)中各類散射機(jī)理與高分辨率一維距離像中各峰值之間的映射關(guān)系。為了實(shí)現(xiàn)目標(biāo)強(qiáng)散射源的RCS提取，可在一維距離像中對各類散射機(jī)理進(jìn)行分離與提取。經(jīng)提取后，某一強(qiáng)散射源所對應(yīng)的一維距離像為：A′(rk)=A(rk)rk∈I′σminrk∉I′---(15)]]>式中，A(rk)為目標(biāo)所對應(yīng)一維距離像中RCS值沿著徑向距離的分布特性；A′(rk)為某一強(qiáng)散射源所對應(yīng)的一維距離像中RCS值沿著徑向距離的分布特性；σmin為目標(biāo)所對應(yīng)一維距離像中沿徑向分布RCS的最小值；I′為該強(qiáng)散射源在目標(biāo)一維距離像中所對應(yīng)的徑向位置區(qū)間。如圖5a、5b、7a、7b、9a、9b所示，由于一維距離像是通過對散射場進(jìn)行一維離散傅里葉逆變換得到的，因此通過對強(qiáng)散射源所對應(yīng)的一維距離像的離散傅里葉變換(DFT)可以得到該強(qiáng)散射源所對應(yīng)的散射場信息，即：Es(fvi)=Σi=0M-1A′(rk)e-j4πfvicrk,i=0,1,...,N-1---(16)]]>式中，假定該一維距離像在徑向包含M個(gè)采樣點(diǎn)；回波信號包含N個(gè)頻點(diǎn)的信息；A′(rk)為強(qiáng)散射源的一維距離像分布特性，Es(fvi)為該強(qiáng)散射源所對應(yīng)的散射場信息；rk為編號為一維距離像中編號為k的徑向位置相對于參考距離中心的距離。該強(qiáng)散射源所對應(yīng)的RCS幅度和相位可根據(jù)散射場信息獲得。如圖10a、10b所示，將錐球體中尖頂繞射、錐體與半球體不連續(xù)處散射以及半球體爬行波散射貢獻(xiàn)所對應(yīng)的RCS相累加所得結(jié)果與MLFMA算法對錐球體目標(biāo)進(jìn)行仿真所得結(jié)果的比較，圖中虛線為三種貢獻(xiàn)相累加所得的RCS幅度和相位，實(shí)線為仿真所得的RCS幅度和相位。綜上所述，本發(fā)明通過對一幅雷達(dá)圖像的反演可以同時(shí)獲取目標(biāo)中多個(gè)強(qiáng)散射源所對應(yīng)的RCS，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(shí)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