本發(fā)明屬于物理技術(shù)領(lǐng)域,更進(jìn)一步涉及電磁波技術(shù)領(lǐng)域中的一種三維粗糙目標(biāo)雷達(dá)散射截面的仿真方法。本發(fā)明可用于對(duì)鈍錐、飛機(jī)等三維目標(biāo)的雷達(dá)散射截面進(jìn)行仿真。
背景技術(shù):
目標(biāo)的電磁散射特征一直都是電磁學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。該方面的研究在遙感、飛行器隱形性能設(shè)計(jì)、雷達(dá)監(jiān)測(cè)以及跟蹤等許多領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用。在傳統(tǒng)的研究對(duì)象中,計(jì)算電磁學(xué)的研究目標(biāo)都是光滑的,而對(duì)粗糙目標(biāo)的建模進(jìn)而分析其電磁散射特征的研究很少涉及。
北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心提出的專利申請(qǐng)“一種基于球B樣條的植物葉片建模方法”(申請(qǐng)日:2010年4月13日,申請(qǐng)?zhí)枺?01010147404.5,公開(kāi)號(hào):CN 101833787A)中公開(kāi)了一種植物葉片的建模方法。該方法的主要步驟是:第一,對(duì)待建模的葉片進(jìn)行葉脈分析,選取待建模葉片;第二,測(cè)量葉片三維形態(tài)信息,葉片的三維形態(tài)信息包括待建模葉片上至少測(cè)量4個(gè)特征點(diǎn)的位置信息、所述特征點(diǎn)的厚度信息和葉邊緣特征點(diǎn)的位置信息;第三,根據(jù)所述葉片三維形態(tài)信息采用插值型球B樣條進(jìn)行葉脈建模;第四,根據(jù)所述葉片三維形態(tài)信息采用插值型B樣條曲面進(jìn)行葉面建模;第五,將所述葉脈模型與所述葉面模型的特征點(diǎn)位置重合,得到完整的葉片三維模型。該方法具有實(shí)時(shí)性,生成的植物葉片三維模型具有較高的真實(shí)感。
該方法的不足是,只能應(yīng)用于植物葉片的三維建模,與電磁學(xué)中的相關(guān)度太小,無(wú)法應(yīng)用于電磁學(xué)中三維粗糙目標(biāo)的建模。
李昌澤等人在文章“非均勻不穩(wěn)定表面粗糙目標(biāo)的太赫茲波段散射特性分析”(J.Infraed Millim.Waves,Vol.35,No.2,April,2016)提出了一種交互式幾何建模方法,并結(jié)合物理光學(xué)法和等效電流法計(jì)算了正方體、四面體和F117隱形戰(zhàn)斗機(jī)在含有一定粗糙度時(shí)的雷達(dá)散射截面。該方法的主要步驟是:第一,通過(guò)常用的CAD軟件生成目標(biāo)表面,然后利用剖分軟件進(jìn)行網(wǎng)格剖分,將目標(biāo)的表面剖分成若干三角面元,從而獲得目標(biāo)表面造型的面元編號(hào)以及相應(yīng)坐標(biāo);第二,用隨機(jī)生成的粗糙面模型模擬目標(biāo)表面的粗糙度,生成與目標(biāo)表面相對(duì)應(yīng)的粗糙面元;第三,將目標(biāo)表面的粗糙度引起的起伏作為其對(duì)應(yīng)的光滑表面的法向方向的起伏。對(duì)于二維目標(biāo),粗糙面元退化為線元模型,其作用區(qū)域?yàn)閮蓚€(gè)坐標(biāo)軸上的投影區(qū)域,需要在這兩個(gè)投影區(qū)域上分別生成兩個(gè)粗糙線元,也就是二維粗糙目標(biāo)表面上某一點(diǎn)的坐標(biāo)是其對(duì)應(yīng)的光滑目標(biāo)在該點(diǎn)坐標(biāo)與兩條粗糙線元坐標(biāo)的疊加;對(duì)于三維目標(biāo),則需要將三維粗糙目標(biāo)表面上某一點(diǎn)的坐標(biāo)看作其對(duì)應(yīng)光滑目標(biāo)在該點(diǎn)坐標(biāo)與三個(gè)粗糙面元坐標(biāo)的疊加。該方法能夠用于分析規(guī)則目標(biāo)的雷達(dá)散射截面。
該方法的不足之處是:第一,當(dāng)目標(biāo)表面連續(xù)時(shí),無(wú)法對(duì)目標(biāo)表面進(jìn)行粗糙度的疊加,進(jìn)而無(wú)法生成粗糙目標(biāo)。第二,當(dāng)目標(biāo)為三維目標(biāo)時(shí),需要用三個(gè)粗糙面元坐標(biāo)的疊加生成三維粗糙目標(biāo)上的點(diǎn)坐標(biāo),該方法在面元數(shù)目較多的時(shí)候,計(jì)算量太大。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述三維粗糙目標(biāo)建模方法的不足,提供了一種三維粗糙目標(biāo)建模方法,并借助物理光學(xué)法計(jì)算其雷達(dá)散射截面。通過(guò)借鑒二維粗糙面的建模方法和理論,將其應(yīng)用到三維粗糙目標(biāo)的建模中,進(jìn)而分析其電磁散射特征。該方法方便易行,具有較好的模型普適性,并且計(jì)算速度更快。
實(shí)現(xiàn)上述目的的本發(fā)明具體步驟如下:
(1)分割目標(biāo):
(1a)將三維光滑目標(biāo)沿著其外表面分割成由三維光滑目標(biāo)的外形確定的多個(gè)部分,得到對(duì)應(yīng)的多個(gè)子光滑目標(biāo);
(1b)分別將每個(gè)子光滑目標(biāo)的外表面剖分成最大邊長(zhǎng)不超過(guò)入射波波長(zhǎng)1/10的三角面元,得到子光滑目標(biāo)的面元拓?fù)湫畔⒑凸?jié)點(diǎn)坐標(biāo);
(2)子光滑目標(biāo)投影:
(2a)將每個(gè)子光滑目標(biāo)的外表面投影到一個(gè)合適的坐標(biāo)平面內(nèi),得到與每個(gè)子光滑目標(biāo)的外表面相應(yīng)的投影區(qū)域;
(2b)在投影區(qū)域內(nèi)任選一點(diǎn)p1,在子光滑目標(biāo)上選取一個(gè)與所選點(diǎn)對(duì)應(yīng)的點(diǎn)p2,將投影區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)p1的坐標(biāo)作為鍵,將子光滑目標(biāo)上的點(diǎn)p2的坐標(biāo)作為該鍵的值,用p1坐標(biāo)確定的鍵和p2坐標(biāo)確定的鍵值構(gòu)成一個(gè)鍵值對(duì);
(2c)判斷所有子目標(biāo)的投影區(qū)域內(nèi)是否選取完所有的點(diǎn),若是,則執(zhí)行步驟(3),否則,執(zhí)行步驟(2b);
(3)生成二維粗糙面:
(3a)任選一個(gè)投影區(qū)域,采用MonteCarlo算法,生成覆蓋所選投影區(qū)域的二維粗糙面;
(3b)判斷是否選取完子目標(biāo)的所有投影區(qū)域,若是,則執(zhí)行步驟(3c),否則,執(zhí)行步驟(3a);
(3c)在投影區(qū)域上任選一個(gè)點(diǎn)p1,在二維粗糙面內(nèi)選取一個(gè)與所選點(diǎn)對(duì)應(yīng)的點(diǎn)p3,將p3的坐標(biāo)作為鍵,將p1的坐標(biāo)作為該鍵的值,用p1坐標(biāo)確定的鍵和p3坐標(biāo)確定的鍵值構(gòu)成一個(gè)鍵值對(duì);
(3d)判斷子目標(biāo)的投影區(qū)域上是否選取完所有的點(diǎn),若是,則執(zhí)行步驟(3e),否則,執(zhí)行步驟(3c);
(3e)在二維粗糙面內(nèi)任選一點(diǎn)p3,將p2的坐標(biāo)作為鍵,將p3的坐標(biāo)作為該鍵的值,用p2坐標(biāo)確定的鍵和p3坐標(biāo)確定的鍵值構(gòu)成一個(gè)鍵值對(duì);
(3f)將p3在Z方向軸上的分量作為p2的外法向量增量,生成三維粗糙目標(biāo)在p2處的外法向量;
(3g)結(jié)合子光滑目標(biāo)上p2的坐標(biāo)和p2的外法向量,生成三維粗糙目標(biāo)在p2處的點(diǎn)坐標(biāo);
(3i)判斷二維粗糙面內(nèi)是否選取完所有的點(diǎn),若是,執(zhí)行步驟(4),否則,執(zhí)行步驟(3e);
(4)生成三維粗糙目標(biāo):
利用三維粗糙目標(biāo)上的點(diǎn)坐標(biāo),計(jì)算所有三角面元的外法向量;
(5)獲得三維粗糙目標(biāo)的雷達(dá)散射截面:
利用物理光學(xué)法,計(jì)算三維粗糙目標(biāo)的雷達(dá)散射截面。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn):
第一,本發(fā)明在生成三維粗糙目標(biāo)的過(guò)程中,采用二維粗糙面的生成方法模擬三維粗糙目標(biāo)表面的粗糙度,克服了現(xiàn)有技術(shù)只能應(yīng)用于植物葉片的三維建模,與電磁學(xué)中的相關(guān)度太小的缺點(diǎn),使得本發(fā)明采用的三維粗糙目標(biāo)的生成方法更適合電磁波技術(shù)領(lǐng)域。
第二,本發(fā)明在生成三維粗糙目標(biāo)的過(guò)程中,將三維光滑目標(biāo)沿著其外表面分割成由三維光滑目標(biāo)的外形確定的多個(gè)部分,得到對(duì)應(yīng)的多個(gè)子光滑目標(biāo),使得三維光滑目標(biāo)的外表面不再閉合、連續(xù),克服了當(dāng)目標(biāo)表面連續(xù)時(shí),無(wú)法對(duì)目標(biāo)表面進(jìn)行粗糙度的疊加,進(jìn)而無(wú)法生成粗糙目標(biāo)的缺點(diǎn),使得本發(fā)明對(duì)模型適用范圍更高。
第三,本發(fā)明在生成三維粗糙目標(biāo)的過(guò)程中,只需將每個(gè)子光滑目標(biāo)的外表面投影到一個(gè)合適的坐標(biāo)平面內(nèi),減少了投影次數(shù),克服了現(xiàn)有技術(shù)當(dāng)目標(biāo)為三維目標(biāo)時(shí),需要用三個(gè)粗糙面元坐標(biāo)的疊加生成三維粗糙目標(biāo)上的點(diǎn)坐標(biāo)的缺點(diǎn),使得本發(fā)明計(jì)算量更小,計(jì)算速度更快。
附圖說(shuō)明
圖1為本發(fā)明的流程圖;
圖2為本發(fā)明在不同均方根高度的條件下,三維粗糙目標(biāo)的雷達(dá)散射截面隨散射角變化的曲線圖;
圖3為本發(fā)明在不同相關(guān)長(zhǎng)度的條件下,三維粗糙目標(biāo)的雷達(dá)散射截面隨散射角變化的曲線圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的描述。
參照附圖1,本發(fā)明的具體步驟如下。
步驟1,分割目標(biāo)。
將三維光滑目標(biāo)沿著其外表面分割成由三維光滑目標(biāo)的外形確定的多個(gè)部分,得到對(duì)應(yīng)的多個(gè)子光滑目標(biāo)。
所述的分割成由三維光滑目標(biāo)的外形確定的多個(gè)部分是指:
若三維光滑目標(biāo)是由多個(gè)幾何體構(gòu)成的組合體時(shí),沿著該三維光滑目標(biāo)上所有的相鄰幾何體之間的連接面,用每個(gè)連接面上任意不共線的三點(diǎn)確定一個(gè)平面,用所確定的平面分別將該目標(biāo)分割成多個(gè)部分。
若三維光滑目標(biāo)不是組合體時(shí),沿著組成該三維光滑目標(biāo)外表面的每個(gè)面,用每?jī)蓚€(gè)相鄰面的交線上任意不共線的三點(diǎn)確定一個(gè)平面,用所確定的平面分別將該目標(biāo)分割成多個(gè)部分。
若三維光滑目標(biāo)是正方體時(shí),可以沿著組成該正方體外表面的六個(gè)正方形,用每個(gè)正方形上任意不共線的三個(gè)點(diǎn)所確定的平面,分別將該正方體切割,得到六個(gè)子光滑面;若三維光滑目標(biāo)是鈍錐,可以在錐頭與錐臺(tái)的連接面以及錐臺(tái)與底面的連接面處,用每個(gè)連接面上任意不共線的三點(diǎn)所確定的平面,分別將該鈍錐切割成錐頭、錐底、錐臺(tái)三個(gè)部分。
分別對(duì)每個(gè)子光滑目標(biāo)的外表面進(jìn)行三角面元剖分,得到子光滑目標(biāo)的面元拓?fù)湫畔⒑凸?jié)點(diǎn)坐標(biāo)。
步驟2,子光滑目標(biāo)投影。
(2a)將每個(gè)子光滑目標(biāo)的外表面投影到一個(gè)合適的坐標(biāo)平面內(nèi),得到與每個(gè)子光滑目標(biāo)的外表面相應(yīng)的投影區(qū)域。
所述的合適的坐標(biāo)平面是指按照以下步驟選取的坐標(biāo)平面:
第一步,計(jì)算子光滑目標(biāo)上由分割而形成的所有截面的外法向量的均值。
第二步,將坐標(biāo)平面的法向量與外法向量均值夾角最小或最大的坐標(biāo)平面,作為合適的坐標(biāo)平面。
第三步,對(duì)于外法向量均值為0時(shí),選擇任一坐標(biāo)平面作為合適的坐標(biāo)平面。
(2b)在投影區(qū)域內(nèi)任選一點(diǎn),建立所選點(diǎn)與該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的子光滑目標(biāo)上的點(diǎn)位置坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
(2c)判斷投影區(qū)域內(nèi)是否選取完所有的點(diǎn),若是,則執(zhí)行步驟3,否則,執(zhí)行步驟(2b)。
步驟3,生成二維粗糙面。
(3a)采用MonteCarlo算法,對(duì)每個(gè)投影區(qū)域分別生成所覆蓋相應(yīng)的投影區(qū)域的二維粗糙面。
所述的MonteCarlo算法生成二維粗糙面的具體步驟如下:
第一步,按照下式,計(jì)算二維粗糙面的高斯功率譜:
其中,P(kx,ky)表示二維粗糙面的高斯功率譜,kx和ky分別表示二維粗糙面的x軸和y軸上的離散采樣波數(shù),δ表示二維粗糙面高度起伏均方根值,lx和ly分別表示二維粗糙面的x軸和y軸方向上的相關(guān)長(zhǎng)度,π表示圓周率,exp表示自然底數(shù)操作。
第二步,按照下式,計(jì)算二維粗糙面的高度譜的隨機(jī)系數(shù):
其中,randN表示二維粗糙面的高度譜的隨機(jī)系數(shù),D(0,1)表示符合均值為0且方差為1的正態(tài)分布的一個(gè)隨機(jī)數(shù),i表示虛數(shù)單位,mk和nk分別表示二維粗糙面的x軸和y軸上第k個(gè)采樣點(diǎn)的序號(hào),M和N分別表示二維粗糙面的x軸和y軸上的采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)。
第三步,按照下式,計(jì)算二維粗糙面的高度譜:
其中,表示二維粗糙面的高度譜,和分別表示二維粗糙面的離散采樣波數(shù),π表示圓周率,Lx和Ly分別表示二維粗糙面在x軸和y軸上的長(zhǎng)度,表示二維粗糙面的高斯功率譜,表示乘操作,randN表示二維粗糙面的高度譜的隨機(jī)系數(shù)。
第四步,按照下式,計(jì)算二維粗糙面的高度譜的二維傅里葉變換:
其中,f(xm,yn)表示二維粗糙面上p(xm,yn)點(diǎn)處的高度起伏,xm和yn分別表示二維粗糙面的x軸和y軸上的采樣點(diǎn)坐標(biāo)值,Lx和Ly分別表示二維粗糙面在x軸和y軸上的長(zhǎng)度,∑表示求和操作,mk表示二維粗糙面的x軸上第k個(gè)采樣點(diǎn)的序號(hào),其取值范圍為[-M/2+1,M/2],nk表示二維粗糙面的y軸上第k個(gè)采樣點(diǎn)的序號(hào),其取值范圍為[-N/2+1,N/2],M和N分別表示二維粗糙面的x軸和y軸上的采樣點(diǎn)個(gè)數(shù),表示二維粗糙面的高度譜,和分別表示二維粗糙面的離散采樣波數(shù),exp表示自然底數(shù)操作,i表示虛數(shù)單位。
(3b)判斷是否選取完子目標(biāo)的所有投影區(qū)域,若是,則執(zhí)行步驟(3c),否則,執(zhí)行步驟(3a)。
(3c)在投影區(qū)域上任選一個(gè)點(diǎn)p1,在二維粗糙面內(nèi)選取一個(gè)與所選點(diǎn)對(duì)應(yīng)的點(diǎn)p3,將p3的坐標(biāo)作為鍵,將p1的坐標(biāo)作為該鍵的值,用p1坐標(biāo)確定的鍵和p3坐標(biāo)確定的鍵值構(gòu)成一個(gè)鍵值對(duì)。
(3d)判斷子目標(biāo)的投影區(qū)域上是否選取完所有的點(diǎn),若是,則執(zhí)行步驟(3e),否則,執(zhí)行步驟(3c)。
(3e)在二維粗糙面內(nèi)任選一點(diǎn)p3,將p2的坐標(biāo)作為鍵,將p3的坐標(biāo)作為該鍵的值,用p2坐標(biāo)確定的鍵和p3坐標(biāo)確定的鍵值構(gòu)成一個(gè)鍵值對(duì)。
(3f)將p3在Z方向軸上的分量作為p2的外法向量增量,生成三維粗糙目標(biāo)在p2處的外法向量。
所述的生成三維光滑目標(biāo)上點(diǎn)的外法向量是由下式計(jì)算得到的:
其中,表示三維光滑目標(biāo)上第j個(gè)點(diǎn)的外法向量,u表示與三維光滑目標(biāo)上第j個(gè)點(diǎn)相鄰的三角面元個(gè)數(shù),∑表示求和操作,a表示與三維光滑目標(biāo)上第j個(gè)點(diǎn)相鄰的第a個(gè)三角面元,為與該點(diǎn)相鄰的第a個(gè)三角面元的單位外法向量。
(3g)結(jié)合子光滑目標(biāo)上p2的坐標(biāo)和p2的外法向量,生成三維粗糙目標(biāo)在p2處的點(diǎn)坐標(biāo)。
(3i)判斷二維粗糙面內(nèi)是否選取完所有的點(diǎn),若是,執(zhí)行步驟4,否則,執(zhí)行步驟(3e)。
步驟4,生成三維粗糙目標(biāo)。
利用三維粗糙目標(biāo)上的點(diǎn)坐標(biāo),計(jì)算所有三角面元的外法向量。
步驟5,獲得三維粗糙目標(biāo)的雷達(dá)散射截面。
利用物理光學(xué)法,計(jì)算三維粗糙目標(biāo)的雷達(dá)散射截面。
所述的利用物理光學(xué)法,計(jì)算三維粗糙目標(biāo)的雷達(dá)散射截面的具體步驟如下:
第1步,按照下式,計(jì)算中間變量:
其中,I表示中間變量,∫表示面積分操作,S表示三維粗糙目標(biāo)的表面,表示觀察點(diǎn)的單位矢量,表示三維粗糙目標(biāo)上三角面元的單位外法向量,r′表示三維粗糙目標(biāo)上單位點(diǎn)源矢量,表示單位入射電場(chǎng)矢量,表示單位入射波矢量,i表示虛數(shù)單位,e表示自然底數(shù)操作,k0表示入射波波數(shù)。
第2步,按照下式,計(jì)算三維粗糙目標(biāo)的雷達(dá)散射截面:
其中,σ表示三維粗糙目標(biāo)的雷達(dá)散射截面,π表示圓周率,λ表示入射波波長(zhǎng),表示取模操作,I表示中間變量。
下面通過(guò)仿真對(duì)本發(fā)明的效果做進(jìn)一步說(shuō)明。
1.仿真條件:
本發(fā)明中的仿真實(shí)驗(yàn)中采用的計(jì)算雷達(dá)散射截面的三維光滑鈍錐模型的參數(shù)如下:鈍錐高度h=1.30m,錐頭半徑rh=0.15m,底部半徑rb=0.36m,錐頂半角α=9°,鈍錐材料為PEC。
入射電磁波參數(shù)如下:電磁波頻率f=150GHz,入射波矢入射電場(chǎng)為其中,θi為入射角,其取值為30°。其數(shù)值為波矢與Z軸負(fù)方向的夾角。如果該夾角為順時(shí)針,那么θi取正值;如果為逆時(shí)針,取負(fù)值。
2.仿真內(nèi)容:
利用物理光學(xué)法,計(jì)算了相同相關(guān)長(zhǎng)度不同均方根高度的情況下三維粗糙鈍錐的雷達(dá)散射截面,以及相同均方根高度不同相關(guān)長(zhǎng)度的情況下三維粗糙鈍錐的雷達(dá)散射截面和三維光滑鈍錐的雷達(dá)散射截面。
3.仿真效果分析:
圖2是在不同均方根高度的條件下,三維粗糙目標(biāo)的雷達(dá)散射截面隨散射角變化的曲線。其中,圖2中的橫坐標(biāo)表示散射角,縱坐標(biāo)表示三維粗糙鈍錐的雷達(dá)散射截面。圖2中以方形標(biāo)示的曲線表示均方根高度δ=0.5mm時(shí),三維粗糙鈍錐的雷達(dá)散射截面的曲線。圖2中以圓圈標(biāo)示的曲線表示均方根高度δ=0.5mm時(shí),三維粗糙鈍錐的雷達(dá)散射截面的曲線。圖2中以三角形標(biāo)示的曲線,表示三維光滑鈍錐的雷達(dá)散射截面的曲線。
比較圖2中的三條曲線可以看出,利用本發(fā)明的方法計(jì)算得到的結(jié)果表明,三維粗糙鈍錐的雷達(dá)散射截面與均方根高度成正比,二者之間的關(guān)系非常明確,能夠更直接且清晰地反映粗糙度參數(shù)對(duì)三維鈍錐雷達(dá)散射截面的影響。
圖3是在不同相關(guān)長(zhǎng)度的條件下,三維粗糙目標(biāo)的雷達(dá)散射截面隨散射角變化的曲線。其中,圖3中的橫坐標(biāo)表示散射角,縱坐標(biāo)表示三維粗糙鈍錐的雷達(dá)散射截面。圖3中以方形標(biāo)示的曲線表示相關(guān)長(zhǎng)度lc=0.5mm時(shí),三維粗糙鈍錐的雷達(dá)散射截面的曲線。圖3中以圓圈標(biāo)示的曲線表示相關(guān)長(zhǎng)度lc=5.0mm時(shí),三維粗糙鈍錐的雷達(dá)散射截面的曲線。圖3中以三角形標(biāo)示的曲線表示相關(guān)長(zhǎng)度lc=10mm時(shí),三維粗糙鈍錐的雷達(dá)散射截面的曲線。
比較圖3中的三條曲線可以看出,利用本發(fā)明的方法計(jì)算得到的結(jié)果表明三維粗糙鈍錐的雷達(dá)散射截面與相關(guān)長(zhǎng)度關(guān)聯(lián)不大,相關(guān)長(zhǎng)度對(duì)三維粗糙目標(biāo)的雷達(dá)散射截面影響很小。