[發(fā)明專利]一種用于SAR成像仿真的復(fù)雜目標(biāo)散射特性快速計(jì)算方法

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• 申請日: 2021-11-19
• 公開（公告）號: CN114167379A
• 公開（公告）日: 2022-03-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張寅;章琪琪;范君杰;閆鈞華
• 申請（專利權(quán)）人: 南京航空航天大學(xué)
• 主分類號: G01S7/41
• 分類號: G01S7/41;G01S13/90;G06T17/00;G06T17/20
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務(wù)所 32237
• 代理人: 徐曉鷺

本發(fā)明涉及一種用于SAR成像仿真的復(fù)雜目標(biāo)散射特性快速計(jì)算方法，所述方法通過建立空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和射線管分裂來改進(jìn)彈跳射線算法，提高了計(jì)算復(fù)雜三維目標(biāo)散射特性的效率。本文基于實(shí)際SAR成像仿真過程中復(fù)雜目標(biāo)的電磁散射計(jì)算問題，提出一種針對此類目標(biāo)的快速彈跳射線電磁計(jì)算方法，該方法中包含利用節(jié)點(diǎn)塊八叉樹空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，快速進(jìn)行相交檢測；通過三角剖分射線管自適應(yīng)分裂，大幅減少了射線管的數(shù)量。實(shí)驗(yàn)表明，本發(fā)明方法在保證計(jì)算精度的同時(shí)，可以有效提高計(jì)算目標(biāo)散射特性的效率。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及目標(biāo)電磁散射特性快速計(jì)算技術(shù)，特別涉及SAR成像仿真過程中一種復(fù)雜三維目標(biāo)的多次散射的快速算法。

背景技術(shù)

分析復(fù)雜三維目標(biāo)的電磁散射特性是開展雷達(dá)成像仿真、目標(biāo)偵察與識(shí)別、隱身性能評價(jià)等研究的基礎(chǔ)，因此具有重要的軍事應(yīng)用價(jià)值。對于表面結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的目標(biāo)，在仿真其電磁散射特性時(shí)需要對目標(biāo)表面的多次散射進(jìn)行計(jì)算。雷達(dá)散射截面積(RadarCross Section，RCS)是一種反映目標(biāo)的電磁散射特性的參數(shù)，其定義為目標(biāo)在單位立體角內(nèi)向雷達(dá)接收機(jī)處散射功率與入射波在目標(biāo)上的功率密度之比的4π倍。Ling H等人于1989年提出了用于計(jì)算腔體雷達(dá)散射截面積的彈跳射線方法(Shooting and Bouncing Rays，SBR)，適用于計(jì)算目標(biāo)幾何結(jié)構(gòu)之間的多次散射，具有計(jì)算精度高、易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過多年的發(fā)展，SBR方法已經(jīng)成為一種廣泛應(yīng)用于復(fù)雜三維目標(biāo)電磁散射特性計(jì)算的方法。SBR方法的基本思想是在垂直于入射波的雷達(dá)虛擬孔徑面上均勻劃分密集的矩形射線管，再使用射線追蹤的方法追蹤每一根射線管，最后利用幾何光學(xué)法(Geometrical optics，GO)和物理光學(xué)法(Physical Optics，PO)計(jì)算目標(biāo)的電磁散射場。為滿足計(jì)算精度要求，SBR劃分矩形射線管的橫截面邊長通常小于十分之一的波長，所以對于艦船、車輛等電大尺寸目標(biāo)而言，SBR方法生成射線管的數(shù)目巨大，計(jì)算效率不高。

目前提高SBR方法計(jì)算效率的思路主要分為兩種，第一種思路是利用空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加速計(jì)算，利用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)加速的方法對目標(biāo)表面劃分的面元建立Kd樹或八叉樹的空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，為每一個(gè)面元分配一個(gè)用于快速索引的空間地址，從而在進(jìn)行射線管與面元相交檢測時(shí)剔除大量不必要的相交檢測，實(shí)現(xiàn)對相交面元的快速檢索。這類方法適用于表面面元數(shù)量較多的電大尺寸目標(biāo)，能有效提高SBR方法的計(jì)算效率，但仍然沒有解決射線管數(shù)量龐大的本質(zhì)問題。第二種提高SBR方法計(jì)算效率的思路是減少射線管的數(shù)量。減少射線管數(shù)量的方法主要利用射線管分裂的思想，首先在虛擬孔徑面上均勻劃分較大的射線管，當(dāng)射線管打到目標(biāo)上且需要分裂時(shí)再將射線管進(jìn)行分裂，生成若干較小的子射線管。在剔除與目標(biāo)不相交的子射線管后，對剩下的射線管進(jìn)行射線追蹤并迭代，直到射線管離開目標(biāo)或射線管橫截面小于一定閾值。其中，Asadi等人提出的自適應(yīng)射線管分裂方法根據(jù)目標(biāo)面元的劃分，使用Sutherland-Hodegmam多邊形裁剪算法自適應(yīng)地將虛擬孔徑分割成連續(xù)的子射線管，極大程度上減少了射線管的數(shù)量。然而，在使用Sutherland-Hodegmam算法進(jìn)行射線管分裂時(shí)，由于要分別計(jì)算多個(gè)三角形的兩兩相交關(guān)系，計(jì)算量較大。

發(fā)明內(nèi)容

為提高SAR成像仿真中計(jì)算復(fù)雜三維目標(biāo)散射特性的效率，本發(fā)明提出了一種用于SAR成像仿真的復(fù)雜目標(biāo)多次散射快速計(jì)算方法，使用節(jié)點(diǎn)塊八叉樹空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)加快射線管與面元的相交檢測速度，使用大射線管分裂的方法減少射線管數(shù)量。此外，在進(jìn)行射線管分裂時(shí)，使用計(jì)算量較小的Delaunay三角形剖分算法代替Sutherland-Hodegmam多邊形裁剪算法。

本發(fā)明提出的一種用于SAR成像仿真的復(fù)雜目標(biāo)散射特性快速計(jì)算方法，通過建立空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和射線管分裂來改進(jìn)彈跳射線算法，提高了計(jì)算復(fù)雜三維目標(biāo)散射特性的效率；其具體過程為：

步驟1：輸入目標(biāo)的三角面元模型和觀測參數(shù)，生成由波源射向目標(biāo)的幾何光學(xué)射線管以模擬入射電磁波；

步驟2：建立節(jié)點(diǎn)塊八叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，快速判斷步驟1中的面元與射線管的相交情況；