本發(fā)明涉及電磁特性領域，特別涉及基于射線追蹤的散射中心來源診斷方法。

背景技術：

以下對本發(fā)明的相關技術背景進行說明，但這些說明并不一定構成本發(fā)明的現有技術。

理論計算和實驗測量均表明，在高頻區(qū)，目標總的電磁散射可以認為是由某些局部位置上的電磁散射所合成的，這些局部性的散射源通常被稱為等效多散射中心，或簡稱散射中心。目標散射中心是目標在高頻區(qū)散射的基本特征之一，它在目標散射特性分析、目標特征提取與識別、目標信號快速仿真等領域均具有重要的應用價值。

在目標散射特性分析中，可以通過散射中心來診斷目標的散射來源。根據散射中心分布的位置，可以判斷目標體上主要散射源的位置，進而判斷造成目標主要散射的局部結構和散射機理。目標散射中心診斷，可以為目標RCS縮減、目標物理復現等應用提供重要的技術支撐。

實際目標的多散射中心常常呈一系列的孤立點的分布。但是，根據電磁散射理論，目標的每個散射中心的形成有時不只和目標在該散射中心位置點處的散射有關，還可能和目標上一定區(qū)域的散射都相關，例如，三個互相垂直平板組成的三面角的主散射中心是由各平板一定面積區(qū)域之間的多次反射而形成的。因此，目標散射中心診斷并不能給出散射來源的完整信息，而完整的散射來源信息需要精確地給出對每個散射中心產生貢獻的目標表面所有散射部位的集合。目前，尚未公開提出能夠實現這種完整的散射來源分析的相關技術。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的在于提出基于射線追蹤的散射中心來源診斷方法，能夠診斷出完整的散射源信息，診斷結果更直觀，計算效率更高。

本發(fā)明基于射線追蹤的散射中心來源診斷方法，包括如下步驟：

S1、根據散射中心在目標網格模型中的位置，確定其所在像素在目標三維圖像中的坐標范圍；

S2、對目標網格模型發(fā)射平行射線，獲取每根彈射射線在目標網格模型中的彈射路徑，將三維路徑延遲落入所述坐標范圍的彈射射線作為有效射線；所述彈射路徑包括彈射次數、經過的面元編號及彈射點的位置坐標；

S3、基于每根有效射線的彈射路徑，將所有有效射線經過的面元所對應的目標表面區(qū)域作為所述散射中心的散射來源。

優(yōu)選地，步驟S2中獲取每根彈射射線在目標網格模型中的彈射路徑包括：針對每根彈射射線：

基于彈射射線的初始入射角、以及幾何光學法GO的光反射定律，確定彈射射線在目標網格模型中每個面元上的入射角和反射角；

根據彈射射線在每個面元上的入射角和反射角，確定每根彈射射線的彈射次數、經過的面元編號及彈射點的位置坐標。

優(yōu)選地，步驟S1之前進一步包括：按照如下方式獲取目標的散射中心：

S01、對目標網格模型發(fā)射平行射線，獲取每根彈射射線在目標網格模型中的射線管數據，包括：彈射次數、經過的面元編號、彈射點的位置坐標和出射射線的電場值；

S02、根據每根彈射射線的射線管數據，確定目標三維圖像中每個像素位置的散射強度和三維路徑延遲落入所述像素位置的射線管編號；

S03、將目標三維圖像中散射強度超過預設強度閾值的極值點所在像素的中心位置作為散射中心，極值點的散射強度為散射中心的幅度。

優(yōu)選地，步驟S01包括：

基于彈射射線的初始入射角、以及幾何光學法GO的光反射定律，按照如下關系確定每根彈射射線在目標網格模型中的彈射次數、經過的面元編號、彈射點的位置坐標：θ_i＝θ_r，θ_i為彈射射線在面元上的入射角，θ_r為彈射射線在面元上的反射角；

基于理想導體邊界條件確定反射射線的電場值：E_i表示面元上入射射線的電場強度，E_r表示面元上反射射線的電場強度，為反射點處反射面法線的方向矢量；

基于物理光學法的遠區(qū)積分公式確定最后一次彈射后出射射線對接收方向的電場值：

式中，r為目標坐標系原點到遠區(qū)散射場點位置的距離，單位為m；E_s(r)為遠區(qū)散射電場強度，單位為V/m；j為虛數單位；k為入射場波數；為散射方向單位矢量；E₀為最后一次彈射點處的入射射線電場強度，單位為V/m；S₀為目標表面的射線照亮的面積區(qū)域；r′為S₀中的任意位置矢量，dS'為r′處的面積分微元；目標坐標系的Z向為雷達視線方向。

優(yōu)選地，步驟S02包括：

根據每根彈射射線的射線管數據，確定所述彈射射線在目標三維圖像中每個像素的散射強度；

針對目標三維圖像中的每個像素，對三維路徑延遲落入所述像素位置的所有彈射射線在所述像素位置的散射強度求和，得到目標三維圖像中每個像素的散射強度。

優(yōu)選地，對每根彈射射線的射線管數據進行頻域與角域傅里葉積分，得到彈射射線在目標三維圖像中每個位置的散射強度。

優(yōu)選地，目標三維圖像中每個位置的散射強度滿足如下關系：

式中，Image3D(x,y,z)為目標三維圖像中(x,y,z)處的散射強度，單位為V/m；z為徑向距離，x為方位向的橫向距離，y為俯仰向的橫向距離，單位為m；z_i為相對于相位零點入射射線在徑向的總路程延遲，x_i為方位向的橫向距離延遲，y_i為俯仰向的橫向距離延遲，單位為m。

優(yōu)選地，方位向的橫向距離延遲x_i為方位向上第一次彈射點和最后一次彈射點橫向距離的平均值，俯仰向的橫向距離延遲y_i為俯仰向上第一次彈射點和最后一次彈射點橫向距離的平均值。

優(yōu)選地，步驟S03包括：

對于目標三維圖像中的每個峰值點，依照從大到小的順序分別按照如下公式對當前峰值點附近的散射點進行迭代：

(Residual Image3D)_n+1＝(Residual Image3D)_n-[A_nh(x-x_n,y-y_n,z-z_n)]

式中，(Residual Image3D)_n為峰值點(x_n,y_n,z_n)處的散射強度，(Residual Image3D)_n+1為當前峰值點附近(x,y,z)處的散射強度，A_n為當前峰值點的散射強度，單位為V/m；n為迭代次數；

當(Residual Image3D)_n+1小于預設的迭代閾值時，停止迭代，剔除散射強度小于所述迭代閾值的散射點，得到剔除雜波后的散射中心。

本發(fā)明采用高頻電磁散射建模技術，對目標網格模型發(fā)射平行射線并獲取每根彈射射線的彈射路徑，將三維路徑延遲落入散射中心所在像素區(qū)域的彈射射線作為有效射線，將所有有效射線經過的面元所對應的目標表面區(qū)域作為散射中心的散射來源，得到的散射來源診斷信息可直接與目標網格模型相關，診斷結果更為完整與直觀，計算效率高。

附圖說明

通過以下參照附圖而提供的具體實施方式部分，本發(fā)明的特征和優(yōu)點將變得更加容易理解，在附圖中：

圖1是本發(fā)明基于射線追蹤的散射中心來源診斷方法的流程示意圖；

圖2是示出本發(fā)明射線管數據的生成原理示意圖。

具體實施方式

下面參照附圖對本發(fā)明的示例性實施方式進行詳細描述。對示例性實施方式的描述僅僅是出于示范目的，而絕不是對本發(fā)明及其應用或用法的限制。

圖1示出了本發(fā)明基于射線追蹤的散射中心來源診斷方法的流程圖。為了確定散射中心的位置，本發(fā)明在步驟S1中首先根據散射中心在目標網格模型中的位置，確定其所在像素在目標三維圖像中的位置。由于像素不是一個點，而是一個圖像區(qū)域，因此本發(fā)明中以像素在目標三維圖像中的坐標范圍表征散射中心所在像素在目標三維圖像中的位置。

步驟S2中采用高頻電磁散射建模技術，對目標網格模型發(fā)射平行射線，獲取每根彈射射線在目標網格模型中的彈射路徑，包括彈射次數、經過的面元編號及彈射點的位置坐標。面元是指目標網格模型中的一個小平面或曲面，多個面元構成目標網格模型，面元的大小可以根據雷達測試精度、以及其他診斷要求進行設計。

平行射線入射到目標網格模型的面元上時，在該面元上發(fā)生彈射，一部分光線發(fā)生反射形成反射射線，每一根反射射線會作為入射射線入射到另一個面元上，如圖2所示。在記錄彈射射線的彈射路徑時，可以沿著射線彈射路徑將每根彈射射線依次經過的面元按照升序進行編號，彈射射線每經過一個面元，彈射射線的次數增加一次。通過追蹤每根平行射線入射到目標網格模型之后的彈射次數和經過的面元編號即可獲得經過每個面元的所有彈射射線及彈射點的位置坐標。為了便于描述，本發(fā)明將三維路徑延遲落入散射中心所在像素的坐標范圍的彈射射線作為有效射線。散射中心的形成是有經過散射中心所在面元的所有有效射線在其經過的多個面元上的多次反射而形成的，因此，步驟S3中可以基于每根有效射線的彈射路徑將所有有效射線經過的面元所對應的目標表面區(qū)域作為散射中心的散射來源。

本發(fā)明在步驟S1中確定散射中心所在像素在目標三維圖像中的位置，步驟S2中確定三維路徑延遲落入散射中心所在像素的坐標范圍的有效射線。本領域技術人員應當理解，實際診斷過程中，步驟S1和步驟S2的順序也可以顛倒。

本發(fā)明采用高頻電磁散射建模技術，根據散射中心所在像素在目標三維圖像中的位置、以及追蹤得到的每根彈射射線的彈射路徑來診斷散射中心的散射源信息，得到的散射來源診斷信息可直接與目標網格模型相關，診斷結果更為完整與直觀，計算效率高。

在一些實施例中，步驟S2中獲取每根彈射射線在目標網格模型中的彈射路徑包括：針對每根彈射射線：基于彈射射線的初始入射角、以及幾何光學法GO的光反射定律，確定彈射射線在每個面元上的入射角和反射角；根據彈射射線在每個面元上的入射角和反射角，確定每根彈射射線的彈射次數、經過的面元編號及彈射點的位置坐標，如圖2所示。

為了準確獲得目標的每個散射中心，提高散射中心及其散射源的完整性，步驟S1之前可以進一步包括：按照如下方式獲取目標的散射中心：

S01、對目標網格模型發(fā)射平行射線，獲取每根彈射射線在目標網格模型中的射線管數據，包括：彈射次數、經過的面元編號、彈射點的位置坐標和出射射線的電場值；

S02、根據每根彈射射線的射線管數據，確定目標三維圖像中每個像素的散射強度和三維路徑延遲落入所述像素位置的的射線管編號；

S03、將目標三維圖像中散射強度超過預設強度閾值的極值點所在像素的中心位置作為散射中心，極值點的散射強度為散射中心的幅度。

圖2示出了本發(fā)明射線管數據的生成原理示意圖。采用本發(fā)明的方法獲得目標散射中心，需要獲得每根彈射射線的射線管數據。在對散射中心的散射源進行診斷時，通過反向追蹤每根彈射射線的射線管數據即可獲得落入散射中心所在像素位置范圍的所有有效射線以及每根有效射線經過的所有面元，簡化數據處理步驟，大大減少數據處理量。優(yōu)選地，步驟S01包括：

基于彈射射線的初始入射角、以及幾何光學法GO的光反射定律，按照如下關系確定每根彈射射線在目標網格模型中的彈射次數、經過的面元編號、彈射點的位置坐標：θ_i＝θ_r，θ_i為彈射射線在面元上的入射角，θ_r為彈射射線在面元上的反射角；

基于理想導體邊界條件確定反射射線的電場值：E_i表示面元上入射射線的電場強度，E_r表示面元上反射射線的電場強度，為反射點處反射面法線的方向矢量；

基于物理光學法PO的遠區(qū)積分公式確定最后一次彈射后出射射線對接收方向的電場值：

式中，r為目標坐標系原點到遠區(qū)散射場點位置的距離，單位為m；E_s(r)為遠區(qū)散射電場強度，單位為V/m；j為虛數單位；k為入射場波數；為散射方向單位矢量；E₀為最后一次彈射點處的入射射線電場強度，單位為V/m；S₀為目標表面的射線照亮的面積區(qū)域；r′為S₀中的任意位置矢量，dS'為r′處的面積分微元；目標坐標系的Z向為雷達視線方向。

在一些實施例中，步驟S02包括：根據每根彈射射線的射線管數據，確定所述彈射射線在目標三維圖像中每個像素位置的散射強度；針對目標三維圖像中的每個像素位置，對三維路徑延遲落入所述像素位置的所有彈射射線在所述像素位置的散射強度求和，得到目標三維圖像中每個像素位置的散射強度。優(yōu)選地，可以對每根彈射射線的射線管數據進行頻域與角域傅里葉積分，得到彈射射線在目標三維圖像中每個像素位置的散射強度。

本發(fā)明中，可以按照如下關系確定目標三維圖像中每個像素位置的散射強度：

式中，Image3D(x,y,z)為目標三維圖像中(x,y,z)處的散射強度，單位為V/m；z為徑向距離，x為方位向的橫向距離，y為俯仰向的橫向距離，單位為m；z_i為相對于相位零點入射射線在徑向的總路程延遲，x_i為方位向的橫向距離延遲，y_i為俯仰向的橫向距離延遲，單位為m。

優(yōu)選地，方位向的橫向距離延遲x_i為方位向上第一次彈射點和最后一次彈射點橫向距離的平均值，俯仰向的橫向距離延遲y_i為俯仰向上第一次彈射點和最后一次彈射點橫向距離的平均值。

獲取目標三維圖像中每個像素位置的散射強度之后，可以直接將散射強度小于等于預設強度閾值的坐標位置剔除，從而快速簡便地獲取目標的每個散射中心。由于三維像的每個峰值點附近符合標準的理想點散射源的點擴散函數，因此對于目標三維圖像中的每個峰值點，還可以依照從大到小的順序分別按照如下公式對當前峰值點附近的散射點進行迭代：

(Residual Image3D)_n+1＝(Residual Image3D)_n-[A_nh(x-x_n,y-y_n,z-z_n)]

式中，(Residual Image3D)_n為峰值點(x_n,y_n,z_n)處的散射強度，(Residual Image3D)_n+1為當前峰值點附近(x,y,z)處的散射強度，A_n為當前峰值點的散射強度，單位為V/m；n為迭代次數；

當(Residual Image3D)_n+1小于預設的迭代閾值時，停止迭代，剔除散射強度小于所述迭代閾值的散射點，得到剔除雜波后的散射中心。采用這種方式能夠完整地獲取目標的散射中心，防止峰值點或者峰值點附近由于成像造成的擴展而被誤記為散射中心。

與傳統(tǒng)基于RCS數據成像或散射中心提取的診斷方法不同，本發(fā)明由于采用了高頻電磁散射建模技術，得到的散射來源診斷信息可直接與目標幾何模型相關，因而結果更為完整與直觀，并且計算效率也較高。本方法具有重要的工程應用價值，可應用于實現目標特征控制、利用賦形設計的目標RCS減縮和目標物理復現等方面。

雖然參照示例性實施方式對本發(fā)明進行了描述，但是應當理解，本發(fā)明并不局限于文中詳細描述和示出的具體實施方式，在不偏離權利要求書所限定的范圍的情況下，本領域技術人員可以對所述示例性實施方式做出各種改變。