本發(fā)明涉及雷達(dá)目標(biāo)特性建模領(lǐng)域，具體涉及一種基于介質(zhì)射線追蹤的多層非平行界面介質(zhì)電磁散射仿真算法。

背景技術(shù)：

目標(biāo)的雷達(dá)散射截面(Radar Cross Section，RCS)是雷達(dá)探測技術(shù)、隱身和反隱身技術(shù)的一個重要特征參數(shù)，是表征目標(biāo)散射特性的一個最基本的參數(shù)。RCS分析預(yù)估是根據(jù)各種電磁散射理論研究場景產(chǎn)生散射場的各種機理，并且利用各種近似計算方法和計算機技術(shù)定量估計目標(biāo)的電磁散射特性。目前，對復(fù)雜金屬目標(biāo)RCS的研究已日趨完善，而對多層介質(zhì)包覆目標(biāo)的電磁散射建模方法則有待發(fā)展。針對多層介質(zhì)包覆目標(biāo)，電磁波在介質(zhì)中傳輸時會發(fā)生衰減，入射到介質(zhì)分界面時會同時發(fā)生反射與折射，使得其電磁散射特性極為復(fù)雜，對其進(jìn)行散射建模比較困難。因此，以多層介質(zhì)包覆目標(biāo)的真實散射機理為基礎(chǔ)，建立逼真的多層介質(zhì)包覆目標(biāo)散射模型，具有重要意義。

申請?zhí)枮?01510107665.7的專利文獻(xiàn)公開了一種分層介質(zhì)粗糙面電磁散射系數(shù)的確定方法，通過建立與分層粗糙面相對應(yīng)的分層平面模型，并通過引入零階電場、相對介電常數(shù)之差以及一階擾動場來實現(xiàn)分層介質(zhì)粗糙面電磁散射系數(shù)的求解，該方法可實現(xiàn)分層介質(zhì)粗糙面的后向散射建模，但是無法處理多層介質(zhì)的透射問題以及多層介質(zhì)包覆目標(biāo)的電磁散射建模問題。

申請?zhí)枮?01110193676.3的專利文獻(xiàn)公開了一種非均勻媒質(zhì)可視求跡散射分析方法，是基于圖形顯示的計算非均勻媒質(zhì)雷達(dá)散射特性的新方法，該方法通過OpenGL中的遮擋判別功能來實現(xiàn)射線與目標(biāo)的求交運算，但是無法模擬射線在介質(zhì)中發(fā)生的折射，同時無法實現(xiàn)射線在目標(biāo)區(qū)域的多次反射求解。

申請?zhí)枮?01310135220.0的專利文獻(xiàn)公開了一種薄介質(zhì)涂覆的金屬旋轉(zhuǎn)對稱目標(biāo)電磁散射快速計算方法，該方法針對金屬介質(zhì)混合結(jié)構(gòu)，僅需對金屬部分建立電場積分方程，加快了求解速度，降低了內(nèi)存消耗，但是該方法僅能對薄介質(zhì)涂覆目標(biāo)進(jìn)行建模求解，同時該方法通過二維簡化來進(jìn)行計算，僅能解決旋轉(zhuǎn)對稱目標(biāo)的求解。

發(fā)表在《中國激光》上的非專利的文獻(xiàn)《電磁波在一維多層結(jié)構(gòu)中的傳輸特性分析》介紹了一種基于傳遞矩陣的多層結(jié)構(gòu)中電磁波傳輸特性建模方法，該方法可實現(xiàn)平行分層結(jié)構(gòu)中的電磁波傳輸特性建模，但是無法處理非平行分界面的情況，而且該論文僅給出了一維多層結(jié)構(gòu)的傳輸特性建模方法，未說明該方法如何擴展到三維實體模型的情況。

發(fā)表在《電子測量技術(shù)》上的非專利的文獻(xiàn)《粗糙面電磁波透射特征的矩量法研究》介紹了一種基于矩量法(MoM)的粗糙面下方介質(zhì)中的電磁波透射建模方法，該方法可實現(xiàn)單層介質(zhì)情況下的透射建模問題，但無法解決多層介質(zhì)的透射計算，同時該方法采用矩量法等數(shù)值算法，對計算時間和計算資源(內(nèi)存)的消耗較大，無法解決電大尺寸的問題。

目前，多層介質(zhì)下包覆目標(biāo)的電磁散射建模主要包括兩種手段：一是采用矩量法等數(shù)值方法對多層介質(zhì)及其內(nèi)包覆目標(biāo)的電磁散射特性進(jìn)行建模；另一種是將多層介質(zhì)包覆目標(biāo)的散射問題簡化為平行分層結(jié)構(gòu)下目標(biāo)的散射問題，并采用傳輸矩陣方法進(jìn)行求解。其中第一種方法由于采用了矩量法等數(shù)值方法，對計算時間和計算資源(內(nèi)存)的消耗較大，無法解決電大尺寸的問題。對于第二種方法，雖然提高了計算速度，但是沒有考慮電磁波在介質(zhì)中的折射現(xiàn)象，并且無法處理非平行分界面的問題。因此，現(xiàn)有技術(shù)方案的適用性受到很大限制。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于介質(zhì)射線追蹤的多層非平行界面介質(zhì)電磁散射仿真算法，利用射線來等效電磁波在多層介質(zhì)中的反射與折射，通過引入分層介質(zhì)間的反射系數(shù)和透射系數(shù)，實現(xiàn)了多層非平行界面介質(zhì)中隱伏目標(biāo)的電磁散射建模，是一種行之有效的多層介質(zhì)包覆目標(biāo)的電磁散射建模方案。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：一種基于介質(zhì)射線追蹤的多層非平行界面介質(zhì)電磁散射仿真算法，其特點是，包含以下步驟：

S1、多層非平行界面介質(zhì)中的射線追蹤，根據(jù)仿真參數(shù)設(shè)置虛擬孔徑面，按照頻率對其進(jìn)行射線管劃分，從虛擬孔徑面投射射線到目標(biāo)區(qū)域?qū)ι渚€在介質(zhì)分界面處的反射與折射進(jìn)行遞歸追蹤，獲取多次反射交點信息；

S2、多層非平行界面介質(zhì)中的場強追蹤，在介質(zhì)分界面處，根據(jù)極化信息及入射方向確定入射電場，在介質(zhì)分界面處根據(jù)Snell定律和反射系數(shù)、折射系數(shù)求解反射電場和折射電場，獲取射線與目標(biāo)及介質(zhì)交點處的電場信息；

S3、多層介質(zhì)包覆目標(biāo)的遠(yuǎn)區(qū)散射場建模，針對反射與折射兩類出射射線，利用物理光學(xué)法求解其在雷達(dá)接收機方向的散射貢獻(xiàn)，獲取總散射場及雷達(dá)散射截面信息，完成多層非平行界面介質(zhì)電磁散射仿真。

所述的步驟S1中，根據(jù)俯仰角、方位角和目標(biāo)形狀信息確定虛擬孔徑面的位置和尺寸。

所述的俯仰角θ＝90°，方位角

所述的步驟S1中，頻率f＝2GHz。

本發(fā)明一種基于介質(zhì)射線追蹤的多層非平行界面介質(zhì)電磁散射仿真算法與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點：本發(fā)明通過對射線在多層介質(zhì)分界面處發(fā)生的反射與折射現(xiàn)象進(jìn)行遞歸追蹤，可對電磁波在多層介質(zhì)中的傳輸過程進(jìn)行模擬；本發(fā)明通過引入介質(zhì)的反射與透射計算解決了多層介質(zhì)中的場強追蹤問題，針對透射電場和反射電場進(jìn)行物理光學(xué)積分從而實現(xiàn)多層非平行界面介質(zhì)包覆目標(biāo)的電磁散射計算，極大擴展了適用范圍。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種基于介質(zhì)射線追蹤的多層非平行界面介質(zhì)電磁散射仿真算法的流程圖；

圖2為多層介質(zhì)包覆目標(biāo)的射線追蹤示意圖；

圖3為電磁波入射到介質(zhì)平面示意圖；

圖4為介質(zhì)包覆鈍錐體目標(biāo)示意圖

圖5為介質(zhì)包覆目標(biāo)的掃頻RCS示意圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖，通過詳細(xì)說明一個較佳的具體實施例，對本發(fā)明做進(jìn)一步闡述。

在高頻電磁波入射情況下，可采用彈跳射線法對多層介質(zhì)包覆目標(biāo)的電磁散射特性進(jìn)行建模。彈跳射線法是一種基于射線光學(xué)的高頻電磁散射計算方法，它用射線與射線管的概念解釋電磁場的散射和傳播機理。彈跳射線法主要分為三個步驟，即射線追蹤、場強追蹤和遠(yuǎn)場積分。

根據(jù)雷達(dá)與目標(biāo)之間的相對位置關(guān)系，設(shè)置虛擬孔徑面，從虛擬孔徑面投射射線到目標(biāo)區(qū)域，記錄射線在目標(biāo)區(qū)域的多次反射交點信息，這個過程即為射線追蹤。射線追蹤過程遵從Snell反射與折射定律。射線入射到目標(biāo)表面時發(fā)生全反射；入射到各層介質(zhì)分界面時會發(fā)生分裂，可根據(jù)各層介質(zhì)的介電常數(shù)求解其折射率，在各層分界面處調(diào)用Snell定律求解反射射線與折射射線，并進(jìn)行遞歸追蹤，直到射線射出區(qū)域返回雷達(dá)接收機為止。

高頻入射電磁波情況下，入射波長小于介質(zhì)分界面的局部曲率半徑，因此電磁波在分層介質(zhì)界面處的入射問題可以等效為電磁波在平面分層介質(zhì)中的入射問題。設(shè)介質(zhì)表面的法向單位矢量為入射方向為反射方向為折射方向為入射角為θ_i，折射角為θ_γ，上層介質(zhì)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率分別為和下層介質(zhì)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率分別為和

在電磁波與介質(zhì)平面的入射問題中，平行極化波的傳輸特性與垂直極化波存在差異，可將入射場分解為平行于入射面的極化分量和垂直于入射面的極化分量，分別計算平行極化分量和垂直極化分量的反射與透射，并通過矢量疊加合成為最終的反射場與透射場。

入射電場的分解形式為：

式中：為入射電場垂直極化方向的單位矢量；為入射電場平行極化方向的單位矢量。

反射電場可以表示為：

式中：和分別為當(dāng)前交點的垂直極化和平行極化的復(fù)電場反射系數(shù)。

透射電場可以表示為：

式中：和分別為當(dāng)前交點的垂直極化和平行極化的復(fù)電場傳輸系數(shù)。

電磁波入射到表面的反射系數(shù)為：

式中：為兩種介質(zhì)的相對介電常數(shù)之比。

電磁波斜入射到介質(zhì)分界面的透射系數(shù)為：

式中：分別為垂直極化波和平行極化波的菲涅耳系數(shù)。

電磁波入射到目標(biāo)(理想導(dǎo)體)表面時，根據(jù)理想導(dǎo)體的邊界條件，反射系數(shù)為Γ_//＝1和Γ_⊥＝-1。結(jié)合射線基坐標(biāo)系的幾何關(guān)系，可得對于理想導(dǎo)體表面，反射電場與入射電場之間滿足關(guān)系式：

電磁波在介質(zhì)中傳播時，其相位隨著傳播距離的增加而變化，同時介質(zhì)對電磁波的幅度也會造成衰減效果。

對于介質(zhì)中的均勻平面波，其電場的傳播方程為：

式中：E_A為空間中A點的電場矢量；E_B為空間中B的電場矢量；為介質(zhì)中的波數(shù)，可由介電常數(shù)等參數(shù)求解求解得到；l為A點與B點連線在電場傳播方向上的投影距離，

根據(jù)射線追蹤過程求得射線與分層介質(zhì)的交點幾何信息，針對電磁波在介質(zhì)中的傳播過程，調(diào)用式(7)求解電場的衰減與相位變化；在介質(zhì)與空氣界面以及介質(zhì)層之間的界面處調(diào)用式(2)和式(3)求解反射與折射電場；在目標(biāo)表面調(diào)用式(6)求解反射電場，即可實現(xiàn)多層介質(zhì)覆蓋目標(biāo)的場強追蹤求解。

在多層介質(zhì)中隱伏目標(biāo)的電磁散射建模中，最終的散射場貢獻(xiàn)分為兩種，一種是在介質(zhì)與空氣界面發(fā)生反射回到雷達(dá)接收機的貢獻(xiàn)；另一種是入射到多層介質(zhì)內(nèi)部，經(jīng)過多次反射后，最終通過透射返回雷達(dá)接收機的貢獻(xiàn)。對于以上兩種貢獻(xiàn)，可分別通過在場強追蹤過程求解出散射點處的出射電場與磁場。最終雷達(dá)接收到的總散射場通過物理光學(xué)法求得。

根據(jù)電磁場的邊界條件，電磁場引起的感應(yīng)電磁流為：

式中：是目標(biāo)表面單位法向量；H_i(r′)為當(dāng)前散射點處的出射磁場，它可由介質(zhì)分界面處的反射與透射公式求得；r′為當(dāng)前散射點的位置矢量。

由物體表面等效電流產(chǎn)生的遠(yuǎn)區(qū)散射場的一般計算公式即基爾霍夫(Kirchhoff)近似公式如下：

式中：為觀察方向的單位矢量；Z₀為自由空間波阻抗；R_r為目標(biāo)到天線的距離。

在彈跳射線法中，總散射場積分是針對所有對總散射場有貢獻(xiàn)的射線管進(jìn)行的。由于在彈跳射線法中，射線管被劃分為規(guī)則的四邊形面元，因此總散射場可以利用Gordon積分的方法進(jìn)行處理。

針對彈跳射線法中物理光學(xué)積分的特殊情況，式(9)中的散射場積分可以離散為所有射線管的散射場求和。而每一個射線管均為規(guī)則的四邊形面元，在一個面元內(nèi)，等效電流J(r′)的幅度為常量，將幅度項分離出積分公式，物理光學(xué)積分可簡化為：

式中：N為四邊形面元總數(shù)；J(r′)為當(dāng)前面元上的表面等效電流；I_k為第k個面元上的特征積分；其表達(dá)式為：

式中：表示第k個面元處的單位入射波矢。對于四邊形面元，當(dāng)不為零時，I_k可表示為如下形式的解析求和：

式中：a_m表示當(dāng)前面元第m條邊矢量，其取向與面元法矢成右手螺旋關(guān)系；r_m為當(dāng)前面元第m條邊的中點位置矢量；sinc(x)＝sin x/x。當(dāng)為零時，式(12)可以簡化為：

式中：ΔA_k為第k個四邊形面元的面積；r₀是該四邊形面元的中心位置矢量。

通過上述分析，利用等效原理求解出每一個射線管出射位置處的表面感應(yīng)電流之后，就可以利用式(10)求解出目標(biāo)在雷達(dá)接收天線處的總散射場貢獻(xiàn)。

最后由公式(14)得到多層介質(zhì)包覆目標(biāo)的RCS。

本發(fā)明一種基于介質(zhì)射線追蹤的多層非平行界面介質(zhì)電磁散射仿真算法，如圖1所示，以介質(zhì)層包覆鈍錐體目標(biāo)的電磁散射建模為例，包含以下步驟：

S1、多層非平行界面介質(zhì)中的射線追蹤，根據(jù)仿真參數(shù)設(shè)置虛擬孔徑面，按照頻率對其進(jìn)行射線管劃分，從虛擬孔徑面投射射線到目標(biāo)區(qū)域?qū)ι渚€在介質(zhì)分界面處的反射與折射進(jìn)行遞歸追蹤，獲取多次反射交點信息。

根據(jù)俯仰角θ＝90°、方位角和目標(biāo)形狀信息確定虛擬孔徑面的位置和尺寸，并按照波長的十分之一(頻率f＝2GHz)對虛擬孔徑面進(jìn)行射線管劃分，如圖1所示，顯示了一條從虛擬孔徑面投射的射線入射到兩層介質(zhì)包覆下的目標(biāo)區(qū)域的情況，在介質(zhì)與空氣、以及介質(zhì)層之間的界面處入射射線分裂為反射射線與折射射線，在目標(biāo)表面發(fā)生全反射，最終該射線與各層分界面共形成六個交點。

S2、多層非平行界面介質(zhì)中的場強追蹤，在介質(zhì)分界面處，根據(jù)極化信息及入射方向確定入射電場，在介質(zhì)分界面處根據(jù)Snell定律和反射系數(shù)、折射系數(shù)求解反射電場和折射電場，獲取射線與目標(biāo)及介質(zhì)交點處的電場信息，如圖2所示，介質(zhì)表面的法向單位矢量為入射方向為反射方向為折射方向為入射角為θ_i，折射角為θ_γ，上層介質(zhì)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率分別為和下層介質(zhì)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率分別為和

S3、多層介質(zhì)包覆目標(biāo)的遠(yuǎn)區(qū)散射場建模，針對反射與折射兩類出射射線，利用物理光學(xué)法求解其在雷達(dá)接收機方向的散射貢獻(xiàn)，獲取總散射場及雷達(dá)散射截面信息，完成多層非平行界面介質(zhì)電磁散射仿真。針對如圖3所示的介質(zhì)包覆目標(biāo)，其中，鈍錐體目標(biāo)球頭半徑R_n＝0.08m，鈍錐總長L＝0.3m，半錐角θ＝8°，外部介質(zhì)的形狀如圖3所示，為橢球體形狀，其相對介電常數(shù)ε_r＝0.94-4×10^-4，在頻率f＝1GHz～2GHz，步長10MHz，俯仰角θ＝90°，方位角(頭部方向入射)，HH極化時利用本專利提出的方法對其掃頻RCS進(jìn)行求解，所得結(jié)果如圖4所示。

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。