[發(fā)明專利]一種動態(tài)海面激光脈沖波束回波仿真方法

有效

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• 申請日: 2013-09-24
• 公開（公告）號: CN103472443A
• 公開（公告）日: 2013-12-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王彪;林嘉軒;童廣德
• 申請（專利權(quán)）人: 上海無線電設(shè)備研究所
• 主分類號: G01S7/48
• 分類號: G01S7/48
• 代理公司: 上海信好專利代理事務所(普通合伙) 31249
• 代理人: 張妍;包姝晴

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及目標與環(huán)境光散射特性研究領(lǐng)域，尤其涉及粗糙海面任意波束的激光脈沖回波仿真技術(shù)。

背景技術(shù)

激光近程雷達系統(tǒng)研制過程中需建立海背景回波仿真模型，為海上目標回波特性的數(shù)據(jù)采集、特征提取、控制和識別等研究提供必要的理論依據(jù)。目前激光近程雷達系統(tǒng)研制依賴大量的海上實驗，這樣即耗費大量的人力、物力，也難以掌握機理和規(guī)律。

在檢索到的國內(nèi)外公開及有限范圍發(fā)表的文獻中，有論文基于海面斜率的Cox-Munk模型介紹了海面高斯波束的反射模型，模型考慮了水面對波束的折射，討論了水面光斑和風速的關(guān)系，但未見脈沖散射、水面面元的粗糙度影響、基于海譜模型的仿真等。另有論文介紹激光高斯波束海面雙向反射的仿真方法，用遮蔽函數(shù)考慮面元遮蔽，但該方法不能用于動態(tài)海面回波模擬。綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)未公開對動態(tài)海面任意波束的激光脈沖回波的仿真方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提出一種動態(tài)海面的激光脈沖波束回波仿真方法，既可用于不同海情樣機動態(tài)交會虛擬實驗，也有助于開展海面脈沖回波散射機理研究，節(jié)省了大量成本，從而為激光近程雷達探測和抗干擾算法設(shè)計、參數(shù)選擇、性能評估提供參考。

為了達到上述發(fā)明目的，本發(fā)明為解決其技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：

提供一種動態(tài)海面的激光脈沖波束回波仿真方法，用于實現(xiàn)海面近程激光雷達虛擬實驗動態(tài)粗糙海面任意波束脈沖波束回波仿真；

所述仿真方法包含：

步驟1：用光學波形測量儀獲得某一距離剖面上激光發(fā)射波束空間強度分布離散數(shù)據(jù)，擬合得到強度分布解析表達式，并基于能量守恒原理確定任意距離處剖面光強空間分布；

步驟2：用脈沖測量儀和示波器獲得激光發(fā)射脈沖時域波形，擬合得到其解析式；

步驟3：根據(jù)不同海情，建立基于統(tǒng)計海譜模型的包含風速、浪高、海浪周期參數(shù)的動態(tài)海面模型，并基于逆FFT獲得頂點的高程分布，法線分布，及其隨時間變化特征；用空間頻率域波分解方法表示海面，通過逆FFT得到海面空間高程表示；

步驟4：基于Torrance-Sparrow模型建立水面面元雙向反射分布函數(shù)統(tǒng)計模型，從而獲得海面的亮度空間角分布特性；

步驟5：基于輻射度學建立后向散射回波脈沖與發(fā)射波束、海面幾何模型、面元雙向反射分布函數(shù)統(tǒng)計模型、海水介電常數(shù)的關(guān)系式，獲得激光波束后向散射脈沖雷達方程；

步驟6：基于步驟3中生成的動態(tài)海面模型數(shù)據(jù)，利用計算機圖形庫OpenGL實現(xiàn)對動態(tài)場景的著色、渲染、圖像效果處理、紋理映射、實時動畫繪制，并根據(jù)激光脈沖發(fā)射器的幾何位置關(guān)系，繪制激光脈沖波形與海面的交互狀態(tài)；

步驟7：針對場景中所有面元采用顏色索引方法，將面元的法線，材質(zhì)信息編碼耦合到像素顏色中，利用三維圖形顯示卡的硬件加速性能，根據(jù)發(fā)射接收視場實現(xiàn)將探測器坐標系下的場景從三維到二維的投影變換，從而獲得投影到視口的像素信息，并對此像素信息進行解碼分析，獲得經(jīng)過遮擋和消隱處理后的離散化場景信息；

步驟8：基于步驟5中得到的激光波束后向散射脈沖雷達方程，利用步驟7中獲得的離散化場景信息與激光脈沖波束進行時域離散卷積，從而計算脈沖波束后向散射回波特性；根據(jù)結(jié)果對步驟4中基于Torrance-Sparrow模型建立的雙向反射分布函數(shù)模型參數(shù)進行修正，直至模型有效。

基于優(yōu)選的實施例可知，本發(fā)明所述動態(tài)海面的激光脈沖波束回波仿真方法中，基于統(tǒng)計海譜模型，利用逆FFT技術(shù)實現(xiàn)動態(tài)海面生成，模型考慮風速、浪高、海浪周期等參數(shù)；測量發(fā)射激光波束空間能量分布和脈沖形狀，擬合得到任意激光波束的空時分布，基于能量守恒確定任意距離處剖面光強空間分布；基于輻射度學建立激光雷達波束后向散射回波雷達方程，水面面元作粗糙面處理，用雙向反射分布函數(shù)表征，方程考慮海水體散射效應；基于計算機圖形庫OpenGL完成場景的繪制、著色、渲染、實時動畫、場景的消隱和裁剪。

本發(fā)明帶來以下有益效果：

本發(fā)明提出基于Torrance-Sparrow雙向反射分布函數(shù)模型的海面激光脈沖波束回波仿真方法，實現(xiàn)了在任意波束能量分布激光脈沖對動態(tài)海面的后向散射回波模擬，獲得了不同海情、不同距離、不同角度下的海面回波，解決了海面近程激光雷達系統(tǒng)設(shè)計對海環(huán)境光學特性的需要，和海上實驗相比節(jié)省了大量的人力、物力，能夠有效地為激光近程雷達探測和抗干擾算法設(shè)計、參數(shù)選擇、性能評估提供參考。

附圖說明

圖1是本發(fā)明中的動態(tài)海面激光脈沖波束回波仿真流程圖。