[发明专利]电大复杂体目标与粗糙面背景复合电磁散射数值仿真方法

说明书

发明领域

本发明属于雷达目标监测技术领域，具体涉及复杂三维体目标与粗糙地海面背景共存条件下，复合散射及其雷达散射截面的数值仿真方法。

背景技术

电大尺寸复杂体目标与地海背景复合电磁散射建模及其雷达散射截面(RCS，RadarCross Section)计算是雷达目标监测和信号解读方面的一个难题。由于精确的数值方法在电大尺寸问题中对复杂度的限制，使得高频近似方法成为解决这类问题的快速有效的方法。尽管高频方法是一种近似计算，但往往足以给出问题求解的较高精度，同时有良好的物理解释。用于计算电大目标RCS的传统高频方法有：几何光学(GO，Geometrical Optics)、物理光学(PO，Physical Optics)、几何绕射(GTD，Geometrical Theory of Diffraction)、物理绕射(PTD，Physical Theory of Diffraction)、射线追踪(RT，Ray Tracing)等[1]。

现在已有多种基于高频方法的RCS计算工具。Youssef等[2]开发了RCS计算工具，通过对复杂目标面元剖分建模，纳入面元的物理光学散射、边缘的物理绕射和二阶GO-PO面元散射。Lee等人发展了XPatch软件平台[3]，不仅计入物理光学和物理绕射，还基于弹跳射线法(SBR，Shooting Bouncing Rays)[4]计算高阶散射。此外，Rius等[5]利用图形硬件加速器发展了一种实时计算目标RCS的工具，该工具采用现有光学图像处理内核的功能，快速计算面元的遮蔽和散射，虽然仅能给出一次散射与绕射场，但因其计算速度快而多为采用。

现有的这些方法中，大多数方法无法计算三阶及以上的高阶散射，其中XPatch软件采用的SBR方法虽然能计算高阶散射，但必须是最后一次散射为PO散射其余均为GO反射，这样无法考虑到很多其他可能的高阶散射项。对于体目标与面目标共存条件下的复合RCS仿真尚缺少可靠与可实施计算的研究。

发明内容

本发明的目的在于提出一种快速、高效、通用、准确的电大复杂体目标与粗糙面背景复合散射的数值仿真方法。

本发明提出的电大复杂体目标与粗糙面背景复合散射的数值仿真方法，是一种双向射线追踪法(BART，Bidirectional Analytic Ray Tracing)，以计算复杂电大尺寸三维目标电磁散射及其RCS。主要思想是：对构成目标的面元从入射方向和散射的逆方向上均进行几何光学射线追踪，并记录射线在面元或边缘上的照射范围，最后对于每个面元或边缘上所记录的任一对正反射线，构造一项由正反追踪路径上的GO反射和该面元或边缘的PO/PTD散射组成的高阶散射项，并计算其对散射场的贡献。双向的BART方法比传统单向追踪考虑了更多不同的散射机制。对于三维电大体目标采用了多边形大面元(面片)剖分，解析地描述射线照射和反射，通过多边形的交并减等几何运算实现精确的阴影计算，使得问题复杂度与其电尺寸无关。对于粗糙面背景，本发明引入粗糙面元，考虑其相干分量(反射)和非相干分量(漫散射)，从而能以类似于平面元的方式处理粗糙面散射，实现体目标与粗糙面目标共存问题的复合散射计算。

在进行BART计算时遵循以下三个主要步骤：

i)建立体目标的几何模型，将其表面剖分为无缝连接的多边形平面元，任两个相邻面元连接处构成一个边缘。具体的说，用计算机辅助设计(CAD，Computer Aided Design)工具建立三维体目标和粗糙面目标的几何模型并进行剖分，为降低射线追踪计算量，剖分的面元应尽可能大，一般来说平面部分不需再剖分，曲面部分则根据精度要求和计算能力的折衷来决定剖分的精细度。

ii)从入射的前向和散射的逆方向(后向)发射平面波射线，进行双向跟踪射线，并沿途记录每个面元和每个边缘上的射线照明区，直到完成给定阶数的追踪。具体的说，从入射方向和散射逆方向发射零阶射线，进行双向跟踪并沿途记录每个面元上的射线照明区和阴影区。

iii)双向追踪，计算并累计所有面元和边缘上交汇的前向和后向两束射线产生的散射项，得到目标的电磁散射。即计算并累计每个面元上交汇的前后两束射线产生的多阶散射贡献。

本发明首先需进行几何建模，采用CAD工具将三维目标与粗糙面背景一起建模为多面形面元描述的几何体与表面。在实施方式中按具体实例更具体地介绍了如何进行几何建模及面元的剖分。

建模以后并进行双向追踪，双向追踪的具体技术细节描述如下：

a)双向追踪