專利名稱：電大復雜體目標與粗糙面背景復合電磁散射數值仿真方法
電大復雜體目標與粗糙面背景復合電磁散射數值仿真方法發明領域本發明屬于雷達目標監測技術領域，具體涉及復雜三維體目標與粗糙地海面背景共存 條件下，復合散射及其雷達散射截面的數值仿真方法。
技術背景電大尺寸復雜體目標與地海背景復合電磁散射建模及其雷達散射截面(RCS， Radar Cross Section)計算是雷達目標監測和信號解讀方面的一個難題。由于精確的數值方法在 電大尺寸問題中對復雜度的限制，使得高頻近似方法成為解決這類問題的快速有效的方 法。盡管高頻方法是一種近似計算，但往往足以給出問題求解的較高精度，同時有良好的 物理解釋。用于計算電大目標RCS的傳統高頻方法有幾何光學(GO， Geometrical Optics )、 物理光學(PO， Physical Optics )、幾何繞射(GTD， Geometrical Theory of Diffraction )、物 理繞射(PTD， Physical Theory of Diffraction )、射線追蹤(RT， Ray Tracing)等[l]。現在已有多種基于高頻方法的RCS計算工具。Youssef等[2]開發了RCS計算工具，通 過對復雜目標面元剖分建模，納入面元的物理光學散射、邊緣的物理繞射和二階GO-PO 面元散射。Lee等人發展了XPatch軟件平臺[3]，不僅計入物理光學和物理繞射，還基于彈 跳射線法(SBR, Shooting Bouncing Rays) [4]計算高階散射。此外，Rius等[5]利用圖形硬 件加速器發展了一種實時計算目標RCS的工具，該工具采用現有光學圖像處理內核的功 能，快速計算面元的遮蔽和散射，雖然僅能給出一次散射與繞射場，但因其計算速度快而 多為采用。現有的這些方法中，大多數方法無法計算三階及以上的高階散射，其中XPatch軟件采 用的SBR方法雖然能計算高階散射，但必須是最后一次散射為PO散射其余均為GO反射， 這樣無法考慮到很多其他可能的高階散射項。對于體目標與面目標共存條件下的復合RCS 仿真尚缺少可靠與可實施計算的研究。 發明內容本發明的目的在于提出一種快速、高效、通用、準確的電大復雜體目標與粗糙面背景 復合散射的數值仿真方法。本發明提出的電大復雜體目標與粗糙面背景復合散射的數值仿真方法，是一種雙向射 線追蹤法(BART, Bidirectional Analytic Ray Tracing)，以計算復雜電大尺寸三維目標電磁 散射及其RCS。主要思想是對構成目標的面元從入射方向和散射的逆方向上均進行幾何光學射線追蹤，并記錄射線在面元或邊緣上的照射范圍，最后對于每個面元或邊緣上所記 錄的任一對正反射線，構造一項由正反追蹤路徑上的GO反射和該面元或邊緣的PO/PTD 散射組成的高階散射項，并計算其對散射場的貢獻。雙向的BART方法比傳統單向追蹤考 慮了更多不同的散射機制。對于三維電大體目標采用了多邊形大面元(面片)剖分，解析 地描述射線照射和反射，通過多邊形的交并減等幾何運算實現精確的陰影計算，使得問題 復雜度與其電尺寸無關。對于粗糙面背景，本發明引入粗糙面元，考慮其相干分量(反射) 和非相干分量(漫散射)，從而能以類似于平面元的方式處理粗糙面散射，實現體目標與 粗糙面目標共存問題的復合散射計算。在進行BART計算時遵循以下三個主要步驟-i) 建立體目標的幾何模型，將其表面剖分為無縫連接的多邊形平面元，任兩個相鄰面 元連接處構成一個邊緣。具體的說，用計算機輔助設計(CAD， Computer Aided Design) 工具建立三維體目標和粗糙面目標的幾何模型并進行剖分，為降低射線追蹤計算量，剖分 的面元應盡可能大， 一般來說平面部分不需再剖分，曲面部分則根據精度要求和計算能力 的折衷來決定剖分的精細度。ii) 從入射的前向和散射的逆方向(后向)發射平面波射線，進行雙向跟蹤射線，并沿 途記錄每個面元和每個邊緣上的射線照明區，直到完成給定階數的追蹤。具體的說，從入 射方向和散射逆方向發射零階射線，進行雙向跟蹤并沿途記錄每個面元上的射線照明區和 陰影區。iii) 雙向追蹤，計算并累計所有面元和邊緣上交匯的前向和后向兩束射線產生的散射 項，得到目標的電磁散射。即計算并累計每個面元上交匯的前后兩束射線產生的多階散射 貢獻。本發明首先需進行幾何建模，采用CAD工具將三維目標與粗糙面背景一起建模為多 面形面元描述的幾何體與表面。在實施方式中按具體實例更具體地介紹了如何進行幾何建 模及面元的剖分。建模以后并進行雙向追蹤，雙向追蹤的具體技術細節描述如下a)雙向追蹤本發明仍沿用GO、 PO和射線追蹤等基本方法，提出雙向追蹤的新方法，以提高計算 精度。本發明在追蹤射線時，尋找該射線所照射到的面元和邊緣，確定對應照明區。若射線 照射在面元上，則在其反射方向上產生高一階的射線，并重新追蹤所有高一階的射線，直 到反射產生的射線的階數高于給定階數為止。本發明采用雙向追蹤，在前后向均追蹤射線，每個面元上交匯的前向和后向兩束射線 產生的散射項由該前向射線追蹤路徑上發生的反射、該面元上發生的散射和后向射線追蹤 路徑上發生的反射構成。同樣的，對于每個邊緣上交匯的前向和后向兩束射線產生的散射項由該前向射線追蹤 路徑上發生的反射、該邊緣上發生的繞射和后向射線追蹤路徑上發生的反射構成。面元上發生的散射由對應兩束射線在該面元上的照明區的相交區域計算得到。同樣 的，邊緣上發生的繞射由對應兩束射線在該邊緣上的照明區的相交區域計算得到。本發明在計算射線追蹤路徑上發生的反射時，是根據幾何光學(GO)理論計算的；而 在計算計算面元上發生的散射時，是根據物理光學(PO)理論計算的；而在計算邊緣上發 生的繞射時，是按照物理繞射理論(PTD)計算。具體描述如圖1，從源(Tx)出發進行射線追蹤，入射到面元上則發生GO反射，再繼續追蹤；反過來，從觀察點(RX)朝散射逆方向進行追蹤，則所到之處可以理解為從該處發出 散射波能夠到達觀察點。當射線從源Tx出發經過w階追蹤("次面元反射)到達當前散射 元處，而另一側從觀察點反過來經過m階追蹤也到達該處，當兩束相反方向的射線交匯在 同一個面元時即構造一項m+n+l次散射。將該散射元看成無限小的微分單元，使得所有 面元發生GO反射可以用鏡像法等效，即由像Tx'發射在像Rx'處觀測到的場，則該散射元 的散射貢獻可以等效地由其PO散射遠場近似計算得到，同時還需計入"次GO反射對入 射場的影響和m次GO反射對散射場的影響。在交匯的這個面元上，存在一個兩束射線的共同照明區，該區域內的所有散射元對這 一項(m+w+l)階散射均有相同的貢獻，積分得到這一項散射(表示為wGO+PO+mGO)，寫 為& =,。 Je'(WWd^Hw很.g 。f[H很.g (1)6=1 /=1 6=1 /=1其中f為GO反射率矩陣，ck為微分散射元，FW為其相對于參考點F。位置，SA為入射與 散射波矢量，r。為參考點F。的散射路徑上的波程，，po(;c)為該微分元的PO散射矩陣，fp。為 所有微分單元組成的散射體的PO散射矩陣。若兩束射線交匯在一條邊緣線上，則同樣地根據有限長度的邊緣繞射理論(如PTD、 MEC等)，可以計算這條邊緣線上所有微分長度所構成的這項多階散射(附+"次GO反射 和l次繞射)，計算方法與(l)式的一樣。若采用PTD計算，則式中，p。應為，^。根據(1)式，同時從源Tx和觀察點Rx出發進行射線追蹤，射線經過面元或邊緣均被記 錄，經過面元則被反射產生新的射線，并進行遞歸追蹤，直到達到設定的追蹤階數。若追蹤階數為iV，則最多可能計算到2JV+1階的散射。顯然，若所有面元均為多邊形，則追蹤過程中產生的射線也為多邊形柱，兩束多邊形 射線柱在一個多邊形面元上交匯時形成共同照明區，即為(l)式中積分進行的表面區。容易 證明，該共同照明區可以表示為若干個多邊形。于是，，p。可以由多邊形的PO散射解析式 直接計算。同理，對于兩束射線交匯在邊緣線上，其共同照明區為依附在該邊緣上的若干不連續 的線段，^,D也可以直接寫出解析式[6]。GO反射矩陣可以由入射場極化基、散射場極化基、面元局部坐標系和Fresnd系數計 算[l]。必須注意到，上述計算方法對于面元散射的情況可能存在重復計算。當入射方向的射 線到達面元時，認為其發生GO反射并繼續追蹤，同時也考慮其發生PO散射，這樣面元 的散射以不同形式被重復計入。當然在一般情況下，兩種散射貢獻由于角度或路徑差異很 大，不會導致重復計算。而當GO反射和PO散射的角度恰好一致時，兩者計入的實際上 是同一散射貢獻，導致重復計算。當一束平面波照射在面元上時，其PO散射認為散射波以球面波方式向各方向發散， 而GO散射認為散射波仍以平面波方式，但限制在反射波束范圍內繼續朝鏡向傳播。這時， 若在GO反射的平面波波束范圍內存在下一個面元，這個面元將在PO、 GO兩種情況下都 能接收到散射波，此時散射貢獻就有一部分被重復計算。因此，越靠近鏡向反射方向上的 PO散射越有可能與GO反射重復。本發明引入發生概率來解決兩種散射可能出現的重復計算。在前向追蹤時，射線照射 到同一面元上產生的反射與散射以相同的概率發生，該概率由反射方向與散射方向的夾角 確定，且該夾角越小則對應概率越小。當任意一束入射波在到達面元時可能發生GO反射，也可能發生PO散射，而兩者發生 的概率相等，且由PO散射角度和GO反射角度之差A確定如下而最終的散射貢獻則需乘上該概率，(l)式中入射方向GO反射率矩陣應為p,l (;v為對應 于第/階反射的概率)，而PO散射矩陣應為pfp。。可見，當PO散射方向與GO反射方向重疊時，認為兩者計算的為同一散射，兩者發生的概率各為1/2,即該項散射發生的總概率為1;當PO散射方向漸漸偏離該反射方向時，認為兩者散射重復計算的沖突漸漸減弱，分別代表不同的散射項，概率依次增大直到1，均完全計入。(2)式的概率限制避免了面元的P0、 GO可能的重復計算，同時又考慮到這兩種不同的 散射貢獻。這要優于僅考慮最后一次PO散射的單向追蹤方法。理論上，對于iV階追蹤而 言，單向追蹤僅考慮iV種散射，而雙向追蹤考慮了W"中散射機制。b)解析追蹤射線追蹤的關鍵是遮蔽、反射的計算。本發明采用解析追蹤，即以多邊形為單位精確 描述每束射線的形狀、位置、方向，并在追蹤時通過幾何交并運算，精確計算其陰影構造。 可以看出，解析追蹤的一個優點是其復雜度僅與目標面元數目(即幾何構造)有關，而跟 電尺寸無關。考慮到電大尺寸問題中散射元的尺寸都比較大，對于高頻計算來說完全可以 用大塊面元來建模，在保證精度不受損的前提下，采用解析追蹤能大大降低復雜度。本發明所采用的解析追蹤方法中，用多邊形柱描述射線，其截面為多邊形。當射線照 射到面元，對應照明區為該射線的截面與面元相交的區域；當射線照射到面元，反射產生 的高一階射線被描述為反射方向上的多邊形柱，且該多邊形柱的截面等于該射線在面元上 的照明區；當射線照射到面元，被遮擋之后的射線被描述為一個或一個以上的多邊形柱， 且該多邊形柱的截面為原射線的截面減去面元的區域。以二維問題為例介紹解析追蹤的原理，如圖2 —個面元的兩側端點構成的有序對A-B 表示該面元，定義法向朝著A^B的左側，用射線所射出的源面元A-B和方向f描述該射線 為R^f,A-B]。零階射線(入射波)則假設來自無限遠處一個無限大的源面元。由面元對射 線的遮擋造成的陰影則用一串間斷的線段(區間)描述S-[vs,，...]，這些線段表示陰影區， 中間的空隙為照明區。射線追蹤的任務是計算該射線在面元上的照明區以及該面元造成的陰影。在射線R的 追蹤中，其局部坐標系(w力的f軸為照射方向，坐標Z的大小表示在射程方向上距離源面元 的遠近，而具有相同w坐標的點則表示其相互存在遮蔽關系，且坐標f小的點遮擋Z大的點。根據面元C-D被射線R照射到的必要條件，將背對射線R或位于其照射范圍之外的 面元排除。其次，判斷兩個面元之間的遮擋關系，根據一個面元E-F被另一個面元C-D遮 擋的必要條件，對考慮范圍內所有面元進行排序，使得排在后面的面元不可能遮擋排在前 面的面元。對于排序后的面元序列，按下述步驟計算當前射線對各個面元造成的照明區i) 初始化陰影Sds;，sJ，其中s,，、分別為端點A左側和端點B右側的未照射區，而s"為射線R的父射線R'照射面元A-B時的陰影；ii) 按順序遍歷面元序列，對于當前面元C-D，從SR截取其對應范圍(C到D之間)的一段陰影Se。，即為該射線在面元C-D上的陰影(反轉即為照明區)；iii)將面元C-D造成的陰影(C到D之間)疊加到S,上，并更新之，返回上一步直到 遍歷完畢。當射線R'照射面元A-B后經過反射產生高一階的射線R，則R'和R相互稱為父子關 系。而一開始入射的O階射線則不存在父射線，此時上述步驟i)中的初始化陰影為空。執行上述步驟即完成了對于一束射線的追蹤，在得到射線R對面元C-D的陰影Sc。的 同時記錄相關信息，并進一步經過C-D的反射產生高一階的子射線，并重復上述過程對新 射線進行追蹤，直到達到設定的追蹤階數N或沒有任何新射線產生。易見，這一過程為一 個遞歸過程，具有通用性。另外，對于邊緣點，可以看成是兩個端點重疊的面元，從而統一處理。綜上，本發明解析追蹤時基本步驟如下追蹤當前階的當前射線時，確定能被該射線照射的所有面元； 排列這些面元使得排在后面的面元不會遮擋排在前面的面元；按排列順序遍歷這些面元，對于每一面元，確定對應照明區，產生該照明區對應的反 射方向的高一階射線，并確定該射線被該面元遮擋后的剩余射線； 循環追蹤當前階的所有射線；追蹤本階追蹤產生的所有高一階的射線，直到達到給定階數為止。在正反兩個方向的追蹤完成后，對于任一面元我們已記錄了正向追蹤的F個射線在它 上面的陰影8^(/ = 1,2,..,。和反向追蹤的5個射線的陰影8:,(6 = 1,2,..,5)。將任一個正向射線的陰影S)和一個反向射線的陰影S6重疊并反轉，得到這兩束射線交匯的共同照明區I^ ， 對該照明區可由(l)式計算其散射貢獻。將所有面元和邊緣上所有散射貢獻疊加得到總散射 場<formula>formula see original document page 9</formula>所有面元邊豕/-1 6=1從以上二維問題推廣到三維問題，只需將對應的定義轉換到三維面元由三角形或多 邊形定義，方向由三維方向角定義，射線的照明與陰影則可以通過多邊形的交、并、減幾 何運算實現。容易證明，任意一束由若干多邊形柱(可以相鄰但不相交)描述的射線，在照射到一 個多邊形面元上之后，反射的射線同樣可以由若干個多邊形柱描述；而任意一束由若干個 多邊形柱描述的射線本身，或在穿過一個多邊形面元之后，產生的陰影可以描述為一個大 多邊形照明區包含若干個小多邊形陰影區。這里涉及的基本操作僅是兩個多邊形的相交、相并、相減三種幾何運算，由計算幾何算法實現。如圖3所示的例子， 一束三角柱射線照射到三角面元產生的照明區為多邊形，等于兩 個三角形的交，由此產生的反射射線可由該多邊形描述。同樣， 一束三角柱射線被一個三 角面元遮擋后，穿透區也為若干個多邊形，等于兩個三角形的減。圖中給出的為橫截面。C)粗糙面元的散射本發明還能考慮粗糙面背景的散射，將粗糙面背景與目標同時考慮，當所剖分的部分 為粗糙面時，所剖分的面元為粗糙面元；所謂粗糙面元，其上發生的反射為粗糙面的相干 散射部分，發生的散射為粗糙面的非相千散射部分。本發明中粗糙面元的相干散射部分和非相干散射部分，借助粗糙面散射的解析方法， 如積分方程法(正M)[7]，對粗糙面環境按其幾何構造及與目標的連接情況分割為若干電大 尺寸面元，稱為粗糙面元。可以認為粗糙面元的長度大于相關長度，從而忽略它們之間的 相關性。粗糙面元方法不需去實現也并不關心粗糙面內部具體的隨機起伏形態，而用隨機粗糙 面模型描述其統計特征，用解析方法計算其散射。在射線追蹤過程中，粗糙面元除了散射計算方法不同外，與其他平面元完全一樣。粗 糙面元的散射場包括了相干和非相千散射。其中相干分量的形式與平面元的GO散射相似， 集中在鏡向；而非相干分量則為漫散射，各角度上的漫散射隨著粗糙度增加而增加。粗糙面元可以與平面元同樣地處理，原GO反射S由相干分量栗。^代替用于反射射線，原PO漫散射5。由非相干分量產生的隨機散射場g—代替用于構成散射項。但由于粗糙面元的兩部分散射是共存的，因此不存在重復計算的問題。實際操作中，在完成一次追蹤后，將非粗糙面元和粗糙面元分開計算，非粗糙面元只 需計算一次，并與粗糙面元多次計算后的統計結果疊加，即為總散射貢獻。
圖l是雙向射線追蹤示意圖；圖2是面元、射線和陰影的示意圖；圖3是多邊形運算與三維解析追蹤示意圖；圖4是實施例中二面角計算結果示意圖；圖5是實施例中二維船艦與海面的雙站散射計算結果示意圖； 圖6是實施例中海面上的三維大型艦船模型示意圖；圖7是實施例中平面上的三維縮比艦船模型計算結果示意圖，其中(a)為船體兩側方向垂直剖面散射分布示意圖，(b)為船體頭尾方向垂直剖面散射分布示意圖，(c)為水平剖面散射分布示意圖；圖8是實施例中海面上的三維大型艦船模型后向散射計算結果示意圖； 圖9是實施例中海面上的三維大型艦船模型雙站散射計算結果示意圖。
具體實施方式
先以二面角作為例進行目標RCS計算，該二面角的兩個面大小相同，長寬均為5.6088義 (A為波長)，夾角90°,觀測頻率9.4GHz。用本發明BART方法計算該二面角的后向散 射先建立二面角的幾何模型，將其表面剖分為無縫連接的多邊形平面元，這里可以直接 將其剖分為兩個矩形面元，連接處為邊緣；改變入射角從0。到180。，對于每個入射角，從入射的前向和散射的逆方向(后向)進 行3階的射線追蹤，沿途記錄每個面元和邊緣上的射線照明區和陰影區；計算并累計所有面元和邊緣上交匯的前向和后向兩束射線產生的散射項，得到目標的 電磁散射。圖4為該二面角的本發明BART計算結果跟精確的矩量法(MoM， Method of Moment) 計算結果，以及實測數據的對比。以二維問題中粗糙海面上有艦船的模型為例。本發明用IEM計算粗糙面元的漫散射， 設為高斯粗糙面，均方根高度與相關長度分別為/^ = 0.63，" = 7.54。模型如圖5所示，艦船 長80A和兩端粗糙面長均為4(U 。對于二維問題，通過將垂直紙面的一維設定為單位寬度或無限寬即可等效作為三維問 題處理。同樣的，經過面元剖分、雙向追蹤、散射計算三個步驟，用本發明的BART方法 計算該粗糙海面上艦船的散射。其中，粗糙海面剖分為粗糙面元后，用正M方法計算其相 干和非相干散射。圖5的曲線為BART與文獻[8]的廣義前后向方法/譜加速方法(GFBM/SAA， General Forward Backward Method / Spectral Acceleration Approach)計算的雙站散射系數對比(30° 入射)，可見BART能以較高精度計算粗糙面與目標的復合散射問題。此外，還可以通過散射能量守恒來驗證本發明方法的正確性，圖5的船艦與海面共存 情況下，水平同極化(HH極化)、垂直同極化(VV極化)的散射能量總和與入射能量比 值分別為0.9926、 1.0126，滿足能量守恒。上述計算結果中，用BART計算的速度遠快于MoM、GFBM/SAA方法。且本發明BART 方法的復雜度僅與目標的幾何結構有關，而與其電尺寸無關，也就是說將問題尺寸放大， 其計算量不變。用普通個人電腦(處理器3GHz)進行圖5的一次計算，GFBM/SAA本身作為一種較快的方法，仍需要41分鐘，而BART僅需2秒。現考慮復雜的大型艦船三維目標模型，如圖6所示。船最長和最寬處為200m和50m， 高為20m。由于目前還沒有能高效解決電大尺寸目標與粗糙面復合散射問題的方法，為了能與現 有能運行的計算電磁學方法比較，先將該模型縮小100倍，且近似認為下墊面為平面。考 慮L波段L26GHz。用本發明的BART方法計算其散射，經過面元剖分后，用前述雙向追 蹤及解析追蹤技術在入射與散射逆方向上追蹤射線束，并記錄所有面元及邊緣的照明區， 用PO、 PTD、 GO計算面元散射和邊緣繞射及射線反射，最后累加得到總散射。圖7為本發明BART計算結果與多層快速多極子(MLFMM， Multi-Layer Fast Multipole Method)的比較。其中圖7(a)為船體兩側方向垂直剖面散射分布示意圖，圖7(b)為船體頭 尾方向垂直剖面散射分布示意圖，圖7(c)為水平剖面散射分布示意圖，入射角為50°。可 以看出，除了少數斜入射角度，兩種方法結果吻合較好，應該說在低頻(縮比以后相當于 在低頻段)本發明方法能達到這樣的精度己較理想，顯然當模型尺寸逐漸放大后，本發明 方法的精度會明顯提高。可以看出，兩側截面積較大而散射較強。另外，在加入下墊面后，很多方向的散射明 顯增強，圖7(c)中上下不對稱的原因在于船體本身的不對稱性。這里沒有用MoM是因為 電大問題中計算量太大，所以采用目前可行的MLFMM做對比。MLFMM的精度基本上與 MoM相當。圖7的計算U80個觀測角度)，MoM方法耗時在2天以上，MLFMM耗時約 3.6小時，本發明方法耗時約9秒。現考慮200m真實情況且下墊面為粗糙海面時，用本發明BART方法計算L波段的 RCS，其中除了粗糙面需要按粗糙面元用IEM方法計算外，其他步驟與圖7的計算過程一 樣。圖8為計算得到的三維歸一化的后向散射方向圖。圖9則為計算得到的歸一化雙站散 射方向圖，入射角為(50°， 0°)。 參考文獻[l]. E. F. Knott, J. F. Shaeffer， M. T. Tuley， i ^ar Oow &c".ow London: Artech House, 1993.[2]. N, N. Youssef, "Radar cross section of complex targets,"尸rac. vol.77， no.5 pp.722-733， May. 1989.[3], M. A. Hazlett, D. J. Andersh, S. W. Lee， et al. "XPATCH: a high frequency electromagnetic scattering prediction code usingshooting and bouncing rays，" iVoc. S尸/E， vol.2469， pp.266-275， June 1999. [4]. H, Ling， R. C. Chou, S. W. Lee， "Shooting and bouncing rays: calculating the RCS of an arbitrarily shaped cavity,"7>纖力她w腿/Vo兩d， vol.AP-37, no.2， pp. 194-205， Feb. 1989. [5]. J. M. Rius， M Ferrando and L. Jofre， "GRECO: Graphical Electromagnetic Computing for RCS prediction in real time,"/￡￡"￡爿她朋0 /Vo/ aga/. Mflgw力e， vol. 35， no. 2, pp.7-17， Apr. 1993. [6]. Knott, E. "The relationship between Mitzner's ILDC and Michaeli's equivalent currents". ^她朋osam/7Vo/^g加/ow, 1985, 33(1):112-114.[7]. A. K. Fung， A/!'craw。ve sca"W7'"g e;w.w7'ow modefe Aez.r app/!'cario/w， Boston: Artech House, 1994.[8.李中新，金亞秋，"數值模擬低掠角入射粗糙海面與船目標的雙站散射"，電波科學學報，2001， 16(2):231-240
權利要求
1、一種電大復雜體目標與粗糙面背景復合電磁散射數值仿真方法，其特征在于，基本步驟如下(1)建立體目標的幾何模型，將其表面剖分為無縫連接的多邊形平面元，任兩個相鄰面元連接處構成一個邊緣；(2)從入射的前向和散射的后向發射平面波射線，進行雙向跟蹤射線，并沿途記錄每個面元和每個邊緣上的射線照明區，直到完成給定階數的追蹤；包括從入射方向和散射的逆方向發射零階射線，并進行雙向跟蹤并記錄每個面元上的射線照明區和陰影區；(3)計算并累計所有面元和邊緣上交匯的前向和后向兩束射線產生的散射項，得到目標的電磁散射。
2、 根據權利要求1所述的電大復雜體目標與粗糙面背景復合電磁散射數值仿真方法， 其特征在于在追蹤射線時，尋找該射線所照射到的面元和邊緣，確定對應照明區； 若射線照射在面元上，則在其反射方向上產生高一階的射線，并重新追蹤所有高一階 的射線，直到反射產生的射線的階數高于給定階數為止。
3、 根據權利要求1所述的電大復雜體目標與粗糙面背景復合電磁散射數值仿真方法， 其特征在于每個面元上交匯的前向和后向兩束射線產生的散射項由該前向射線追蹤路徑上發生 的反射、該面元上發生的散射和后向射線追蹤路徑上發生的反射構成；每個邊緣上交匯的前向和后向兩束射線產生的散射項由該前向射線追蹤路徑上發生 的反射、該邊緣上發生的繞射和后向射線追蹤路徑上發生的反射構成。
4、 根據權利要求2或3所述的電大復雜體目標與粗糙面背景復合電磁散射數值仿真 方法，其特征在于所述面元上發生的散射由對應兩束射線在該面元上的照明區的相交區域計算得到； 所述邊緣上發生的繞射由對應兩束射線在該邊緣上的照明區的相交區域計算得到。
5、 根據權利要求4所述的電大復雜體目標與粗糙面背景復合電磁散射數值仿真方法， 其特征在于根據幾何光學理論計算射線追蹤路徑上發生的反射；根據物理光學理論計算面元上發生的散射；根據物理繞射理論計算邊緣上發生的繞射。
6、 根據權利要求5所述的電大復雜體目標與粗糙面背景復合電磁散射數值仿真方法，其特征在于前向追蹤時，射線照射到同一面元上產生的反射與散射以相同的概率發生， 該概率由反射方向與散射方向的夾角確定，且該夾角越小則對應概率越小。
7、 根據權利要求1所述的電大復雜體目標與粗糙面背景復合電磁散射數值仿真方法， 其特征在于采用解析追蹤方法追蹤射線，用多邊形柱描述射線，其截面為多邊形；當射線照射到面元，對應照明區為該射線的截面與面元相交的區域； 當射線照射到面元，反射產生的高一階射線被描述為反射方向上的多邊形柱，且該多邊形柱的截面等于該射線在面元上的照明區；當射線照射到面元，被遮擋之后的射線被描述為一個或一個以上的多邊形柱，且該多邊形柱的截面為原射線的截面減去面元的區域。
8、 根據權利要求7所述的電大復雜體目標與粗糙面背景復合電磁散射數值仿真方法， 其特征在于解析追蹤方法包含以下步驟追蹤當前階的當前射線時，確定能被該射線照射的所有面元； 排列這些面元使得排在后面的面元不會遮擋排在前面的面元；按排列順序遍歷這些面元，對于每一面元，確定對應照明區，產生該照明區對應的反 射方向的高一階射線，并確定該射線被該面元遮擋后的剩余射線； 循環追蹤當前階的所有射線；追蹤本階追蹤產生的所有高一階的射線，直到達到給定階數為止。
9、 根據權利要求5所述的電大復雜體目標與粗糙面背景復合電磁散射數值仿真方法， 其特征在于-當所剖分的部分為粗糙面時，所剖分的面元為粗糙面元；所述粗糙面元上發生的反射為粗糙面的相干散射部分，發生的散射為粗糙面的非相干 散射部分。
10、 根據權利要求9所述的電大復雜體目標與粗糙面背景復合電磁散射數值仿真方法， 其特征在于所述粗糙面元的相干散射部分和非相干散射部分根據積分方程法計算。
全文摘要
本發明屬于雷達目標監測技術領域，具體為電大復雜體目標與地海粗糙面背景復合電磁散射的數值仿真方法。其步驟為將體目標與面目標剖分別分為多邊形平面元；在入射前向和散射的逆方向分別用射線追蹤，并記錄散射元上照射到的各階射線；采用體目標散射元或邊緣的物理光學散射或物理繞射，以及粗糙面元散射的解析解，通過散射射線追蹤描繪的面-體目標散射與相互作用，由任意一對交匯在同一個面元或邊緣上的前后向兩束射線構造追蹤路徑形成散射項；累計所有面元的所有散射項之和，即為體目標和面目標的復合電磁散射。該方法能快速高效地數值仿真模擬復雜形狀、電大尺寸、三維體目標與地海粗糙表面背景復合的電磁散射或雷達散射截面。
文檔編號G01S7/48GK101216556SQ200710173289
公開日2008年7月9日 申請日期2007年12月27日 優先權日2007年12月27日
發明者豐 徐, 金亞秋 申請人:復旦大學