一种基于光线跟踪算法的双壳目标声散射计算方法

技术领域

本发明涉及水中目标主动声纳探测领域，尤其是一种基于光线跟踪算法的双壳目标声散射计算方法。

背景技术

目标声散射特性是主动声纳进行目标探测的基础。随着主动声纳技术的发展，尤其是对目标回波精细结构研究的需要，目标内部结构的影响显得愈发重要。无论是内部结构设计，还是内部敷设消声瓦部位的选择，都需要明确内部结构对目标散射的贡献。对于双层壳体目标，当外壳没有敷设消声瓦，其内部结构的影响甚至比外壳还要大。

目前预报这种复杂双壳目标的声散射主要还是用单一的透射系数，即内部结构无论部位、方向均采用单一透射系数，体现不出透射系数随入射角度变化的规律，而且计算不了复杂目标的多次散射和多次透射，导致最终预报计算复杂双层壳目标声散射的结果误差很大，且计算功能受限。

发明内容

为了克服现有技术中存在的上述问题，本发明提出一种基于光线跟踪算法的双壳目标声散射计算方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于光线跟踪算法的双壳目标声散射计算方法，包括如下步骤：

步骤1，根据内壳面元三个节点坐标求出内壳面元中心点坐标，将发射点与内壳面元中心点连线，求出连线与内壳面元法线方向夹角；通过线性插值求出所述内壳面元的反射系数；利用光线跟踪算法将入射方向上所有相交的内壳面元、外壳面元找出；

步骤2，计算每一个相交的内壳面元的透射系数、外壳面元的透射系数，将所有内壳面元的透射系数、外壳面元的透射系数累计相乘得到入射时的综合透射系数；

步骤3，根据反射定律确定内壳面元一次反射的方向；

步骤4，利用光线跟踪算法确定是否有内壳二次散射发生，若有二次散射发生，则进行步骤5，若没有二次散射发生，则进行步骤9；

步骤5，判断产生二次散射的内壳面元是否能被接收点照亮，若能，则进行步骤6，若不能，则进行步骤9；

步骤6，计算产生二次散射的内壳面元的反射系数；

步骤7，利用光线跟踪算法将产生二次散射内壳面元对应出射方向上所有相交的内壳面元、外壳面元找出，并求出所有内壳面元的透射系数、外壳面元的透射系数，将所有内壳面元的透射系数、外壳面元的透射系数累计相乘得到发生二次散射时出射的综合透射系数；即该产生二次散射内壳面元的综合反射透射系数＝步骤2中入射时的综合透射系数*步骤1中内壳面元的反射系数*步骤6中二次散射内壳面元的反射系数*步骤7中出射时的综合透射系数；

步骤8，计算产生二次散射的内壳面元的声散射数值；

步骤9，利用光线跟踪算法将步骤1所述内壳面元对应出射方向上所有相交的内壳面元、外壳面元找出，并求出所有内壳面元的透射系数、外壳面元的透射系数，将所有内壳面元的透射系数、外壳面元的透射系数累计相乘得到步骤1所述内壳面元出射时的综合透射系数，即步骤1所述内壳面元的综合反射透射系数＝步骤1中所述内壳面元的反射系数*步骤2中入射时的综合透射系数*步骤9中出射时的综合透射系数；

然后计算步骤1所述内壳面元声散射数值；

步骤10，将步骤8与步骤9所得散射贡献矢量相加得到内壳面元最终散射结果；

步骤11，重复步骤1-10，遍历所有内壳面元，得到所有内壳面元考虑多次透射和多次散射的计算结果；

步骤12，根据外壳面元三个节点坐标求出外壳面元中心点坐标，将发射点与外壳面元中心点连线，求出连线与外壳面元法线方向夹角；

步骤13，通过线性插值求出步骤12所述外壳面元的反射系数，计算外壳面元的散射贡献；

步骤14，重复步骤12-13，遍历所有外壳面元，求出所有外壳面元的声散射数值；

步骤15，将步骤11所得的所有内壳面元考虑多次透射和多次散射的计算结果与步骤14所得的所有外壳面元的声散射计算结果矢量相加，得到整体复杂双层壳目标同时考虑多次散射和多次透射声散射结果。

上述的一种基于光线跟踪算法的双壳目标声散射计算方法，所述步骤8、步骤9及步骤13中声散射数值的计算公式为：

其中，j表示单位虚数，k为水中波数，其中k＝2πf/C，f为计算频率，C为水中声速，r表示发射点或接收点与面元中心点的距离；∫

上述的一种基于光线跟踪算法的双壳目标声散射计算方法，

所述步骤8中计算产生二次散射的内壳面元的声散射数值时，V(θ

上述的一种基于光线跟踪算法的双壳目标声散射计算方法，所述步骤1中线性插值的具体计算公式为：

其中，

[cosθ]

[cosθ]

上述的一种基于光线跟踪算法的双壳目标声散射计算方法，所述光线跟踪算法具体包括如下步骤：

步骤a，将所有外壳面元节点坐标通过一点透射投影方法投影到视平面上；

步骤b，通过叉积判断法判断视点是否与某个面元相交。

上述的一种基于光线跟踪算法的双壳目标声散射计算方法，所述步骤b具体包括：判断点为P

上述的一种基于光线跟踪算法的双壳目标声散射计算方法，所述步骤5中判断产生二次散射的内壳面元是否能被接收点照亮的具体方法为：通过计算接收点和内壳面元中心点连线与所述内壳面元法线方向夹角余弦值的正负判断是否被接收点照亮，若余弦值为正值则能被照亮，若余弦值为负值，则不能被照亮。

本发明的有益效果是，通过引入光线跟踪算法确定入射声线和出射声线的精确路径，不仅能够获得不同入射角度下的透射系数，而且通过反射定律，可以跟踪每根声线的散射和透射过程，不仅可以获得精确的透射系数和反射系数，而且可以计算复杂目标的多次散射和多次透射；通过多次散射和多次透射，使中高频的预报方法可以用于低频预报，为工程预报、目标线型设计提供有力理论支撑。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明实施例中复杂双层壳目标反射、透射示意图；

图2为本发明实施例中面元拟合球目标示意图；

图3为本发明实施例中一点透射投影示意图；

图4为本发明实施例中叉积判断法流程图；

图5为本发明实施例中同时考虑多次散射和多次透射时声散射计算流程图；

图6为本发明实施例中反射定律示意图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

如图1所示，计算复杂目标内部结构的声散射时，必须考虑目标的透射、反射和遮挡，所以需要得到外壳的透射系数和内壳的反射系数，而透射系数和反射系数随入射角度的不同会有很大变化，对于内部结构复杂的目标而言，还要考虑其多次散射和多次透射。现有技术中预报这种复杂双壳目标的声散射主要还是用单一的透射系数，即内部结构无论部位、方向均采用单一透射系数，体现不出透射系数随入射角度变化的规律，而且计算不了复杂目标的多次散射和多次透射，导致最终预报计算复杂双层壳目标声散射的结果误差很大，且计算功能受限。基于上述问题，本实施例公开了一种基于光线跟踪算法的双壳目标声散射计算方法。

中高频情况下，对于水中复杂目标回波特性的预报主要采用Kirchoff近似积分方法。该方法用面元对目标线型进行仿真拟合，对各面元积分计算它对散射的贡献，而目标总声散射就是各面元散射的矢量和，图2是用三角形面元拟合球目标的示意图，公式(1)是远场收发合置情况，目标回波的Kirchhoff近似积分公式：

其中，∫

光线跟踪理论即是基于几何光学原理，通过模拟光的传播来确定反射、折射和阴影。由于可以跟踪每条从外壳透射进、出的射线，同时获得每条声线的散射和透射过程，因此不仅可以得到声线路径上的反射系数和透射系数，而且可以计算复杂目标的多次散射和多次透射。

光线跟踪技术的本质是求交运算。当目标为多面体或采用多边形拼接而成的面时，射线与目标的求交就转化为射线与多边形的求交。假设多边形是单连通的，并且任意两边除共享顶点外互不相交。

计算外层壳体与内部结构的声散射贡献时，需经过多次外壳透射，而透射系数和反射系数随入射角度会有较大变化。光线跟踪算法的意义就在于确定声线的反射和透射路径，从而获得相应的反射系数和透射系数，进而计算出内部结构对散射声场的贡献。

多边形所在的平面方程为：

ax+by+cz+d＝0

射线方程定义为：

X＝Dt+E t≥0

其中E＝(e

N·(Dt+E)+d＝0

解得：

t

当N·D＝0时，射线与多边形平行，无交点。当N·D≠0时，交点为X

通过该方法，可以找到入射声线、出射声线路径上数以万计的外壳面元中，究竟哪一个或几个外壳面元和入射、出射声线相交，从而准确获得V(θ

利用光线跟踪算法，多次散射和多次透射扩展了算法的计算功能，使中高频的预报方法可以用于低频预报。

【实施例1】

本实施例1中仅考虑一次透射和一次散射时复杂双层壳目标的声散射数值计算方法，具体包括如下步骤

1、首先根据内壳面元三个节点坐标求出该内壳面元中心点坐标，

O

O

O

然后将发射点与该面元中心点连线，通过余弦定理求的该连线与该面元法线方向夹角的余弦值：

cosk

最后求得该连线的长度，并对该夹角的余弦值归一化，

R

cosk

2、通过线性插值求该内壳上的反射系数，利用cosθ值从1到0.1，间隔为0.01和频率从0Hz到50kHz、间隔为100Hz的反射系数V([cosθ]

其中

[cosθ]

3、通过光线跟踪求入射声线路径上哪一个(或几个)外壳面元与之相交，第一步是将所有外壳面元节点坐标投影到相应的视平面上，采用一点透射投影方法，如图3所示。

设透视投影的视点(发射点)P

x

y

z

其与XOY平面交于(x

x

y

当视点位于除坐标轴外的任意空间一点时引入一个过渡坐标系，称为观察坐标系。在观察坐标系下，设视点为(a,b,c)，视平面在观察方向上离视点的距离为z

则可以求得：

x

y

z

x

y

4、判断视点是否与某个外壳面元相交，这里采用叉积判断法，假设判断点为P

5、在判断过程中，有可能出现数个外壳面元在投影面重叠的情况，导致该入射声线同时穿过好几个外壳面元，只取离视点最近的那个外壳面元即可，记下该外壳面元的编号；

6、通过该外壳面元的编号获得其三个节点的坐标，重复步骤1和步骤2，即可求得内壳面元对应入射声线穿透外壳面元的透射系数；

7、同理对于出射声线，重复步骤3～步骤6，注意此时是将接收点与该面元中心点连线的方向作为跟踪方向，求得该内壳面元对应出射声线穿透外壳面元的透射系数。

8、至此，步骤2中该内壳面元的反射系数，步骤6中该内壳面元对应入射声线穿透外壳面元的透射系数，步骤7中该内壳面元对应出射声线穿透外壳面元的透射系数均已获得，则该内壳面元对应的综合反射透射系数＝步骤2中该内壳面元的反射系数*步骤6中该内壳面元对应入射声线穿透外壳面元的透射系数*步骤7中该内壳面元对应出射声线穿透外壳面元的透射系数；

9、通过公式(1)计算该内壳面元的声散射数值；

10、遍历所有内壳面元，重复步骤1～步骤9，最终获得所有内壳面元的声散射数值；

11、对于外壳面元，由于其不牵扯到光线跟踪，所以只需遍历所有外壳面元，重复步骤1和步骤2获得所有外壳面元的反射系数，然后通过公式(1)就可以求得所有外壳面元的声散射数值；

12、将所有内壳面元的声散射贡献与所有外壳面元的声散射贡献矢量相加，最终得到整体复杂双层壳目标的声散射数值。

【实施例2】

实施例2在实施例1的基础上，考虑多次散射和多次透射，如图5所示，具体包括如下步骤：

13、内壳面元开始循环，重复实施例1中的步骤1和步骤2，求出该一次散射内壳面元的反射系数；

14、接着重复实施例1中的步骤3和步骤4，由于本次要考虑多次透射，所以此时步骤3中是将所有内、外壳面元都要投影到投影面内，然后会出现数个内、外壳面元在投影面重叠的情况，导致入射声线同时穿过数个内、外壳面元，由于此时要考虑多次透射，因此需要记下所有被穿透的内、外壳面元的编号，接着连续重复步骤2，求出所有被入射声线穿透的内、外壳面元的透射系数，将所有的透射系数累计相乘得到一次散射内壳面元对应入射时的综合透射系数；

15、根据反射定律，如图6所示，假设E是视线方向，即从视点到可见点的方向，N是可见点处曲面的法向量，E和N都是单位向量。令N'＝(cosθ

16、有了反射方向，重复实施例1中的步骤3和步骤4，注意此时步骤3中是将所有内壳面元都要投影到投影面内，从而判断是否有内壳面元产生二次散射。

17、如果有则重复步骤1，通过步骤1中的该内壳面元法线方向夹角余弦值的正负值来判断该产生二次散射的内壳面元能否被接收点照亮，若为正值则能够被照亮，若为负值则不能被照亮；

18、如果步骤16和步骤17中有任一项为否，则说明不存在二次散射内壳面元，重复步骤1～步骤9，只计算该内壳面元一次散射的结果。

19、如果步骤16和步骤17的结果均为是，则该产生二次散射的内壳面元真实存在，重复步骤1和步骤2计算该产生二次散射的内壳面元的反射系数；

20、接着重复步骤14，求出所有被出射声线穿透的内、外壳面元的透射系数，将所有的透射系数累计相乘得到该二次散射内壳面元对应出射时的综合透射系数。

21、则产生二次散射的内壳面元的综合反射透射系数＝步骤14所得的入射时的综合透射系数*步骤13中所述内壳面元的反射系数*步骤19所得的产生二次散射的内壳面元的反射系数*步骤20所得的二次散射时出射的综合透射系数。

22、通过公式(1)计算该产生二次散射的内壳面元的散射结果，将步骤18中的一次散射结果与二次散射结果矢量相加获得最终散射结果。

23、遍历所有内壳面元，重复步骤13～步骤22，最终获得所有内壳面元考虑多次透射和多次散射的计算结果。

24、对于外壳面元，由于其不考虑多次散射，也不存在多次透射，所以只需遍历所有外壳面元，重复步骤1和步骤2获得所有外壳面元的反射系数，然后通过公式(1)就可以求得所有外壳面元的声散射数值；

将所有内壳面元考虑多次透射和多次散射的计算结果与所有外壳面元的声散射计算结果矢量相加，最终得到整体复杂双层壳目标同时考虑多次散射和多次透射声散射结果。

以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。