一种三维结构目标次表层回波仿真方法

技术领域

本发明属于微波遥感技术领域，尤其涉及一种三维结构目标次表层回波仿真方法。

背景技术

对于深空探测中的小天体内部结构探测任务，地面验证试验难以复现与实际应用一致的试验场景，使得对内部结构探测雷达的仿真验证至关重要。对三维结构目标次表层的雷达回波半物理仿真是验证内部结构探测雷达功能和性能的有效手段，为雷达系统设计与优化提供重要参考。高精度的仿真回波方法可对特定物理场景进行逼真的模拟，生成与实测信号较吻合的回波数据，一定程度上替代外场试验。仿真回波与实测回波的准确度直接影响处理算法的测试和系统性能的评估。

一般情况下，三维结构次表层目标回波仿真存在较大难度。其一，内部结构探测所用频段一般较低，波长较长，回波仿真中常用的高频算法较难适用。其二，小天体内部介电特性复杂且不连续，目标散射情况十分复杂，雷达回波信号没有解析解，必须进行数值计算。其三，小天体目标较大，为保证探测器安全，观测距离远大于目标尺寸，使得数值计算场景空间十分巨大，回波仿真中网格剖分所占用的内存规模可能大于现有硬件条件。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种三维结构目标次表层回波仿真方法，旨在解决现有技术存在的三维结构目标次表层回波仿真计算量巨大、准确率不高的问题。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种三维结构目标次表层回波仿真方法，包括：

构建三维结构目标对应的三维正方体网格和数值仿真空间；

设置回波仿真条件；

基于构建的三维正方体网格、数值仿真空间、以及设置的回波仿真条件，通过数值计算得到正方体包围面上各处的电场；

将正方体包围面上各处的电场外推至远距离的实际接收天线，得到远场电场，并记录各时刻的远场电场的电场值；

将记录的各时刻的远场电场的电场值排列起来作为实际天线接收到的时域回波。

在上述三维结构目标次表层回波仿真方法中，构建三维结构目标对应的三维正方体网格和数值仿真空间，包括：

建立三维结构目标对应的介电常数模型；

对介电常数模型进行离散化，得到三维正方体网格；

基于三维正方体网格，确定数值仿真空间；其中，数值仿真空间包含了三维正方体网格，数值仿真空间为三维正方体网格尺寸的2倍。

在上述三维结构目标次表层回波仿真方法中，三维正方体网格中第s个网格点的介电常数、磁导系数、电导率和磁导率分别为ε(s)、μ(s)、σ(s)和σ

在上述三维结构目标次表层回波仿真方法中，设置回波仿真条件，包括：

将入射波等效为平面波：在距离数值仿真空间边界3～5λ处设置脉冲平面波激励；其中，λ表示波长；

将接收点设置为正方体包围面上的所有点：在距离目标3～5λ设置正方体包围面，并将接收点设置为正方体包围面上的所有点。

在上述三维结构目标次表层回波仿真方法中，通过如下公式对三维正方体网格中各网格点的磁场和电场进行逐时递推，计算得到正方体包围面上各处的电场：

按照如下方式进行磁场的逐时递推：

其中，s＝(i,j,k)，表示三维正方体网格中各网格点的三维位置索引；

按照如下方式进行电场的逐时递推：

其中，

在上述三维结构目标次表层回波仿真方法中，

其中，Δt表示逐时递推的时间间隔。

在上述三维结构目标次表层回波仿真方法中，

其中，Δt表示逐时递推的时间间隔。

在上述三维结构目标次表层回波仿真方法中，将正方体包围面上各处的电场外推至远距离的实际接收天线，得到远场电场，包括：

根据正方体包围面上各处的电场Ε

Ε

Ε

其中，Ε

根据计算得到的Μ

Ε

Ε

其中，Ε

在上述三维结构目标次表层回波仿真方法中，G中各元素G

其中，z

在上述三维结构目标次表层回波仿真方法中，G′中各元素G′

其中，z

本发明具有以下优点：

(1)本发明公开了一种三维结构目标次表层回波仿真方法，能够快速、准确的对特定大场景进行半物理仿真，采用时域有限差分方法准确模拟复杂内部结构目标的波场传播；将数值仿真空间限定在小场景三维目标包围面内，再解析至实际天线处的接收场，解决了对于整个观测场景无法整体数值仿真的问题。

(2)本发明公开了一种三维结构目标次表层回波仿真方法，大幅降低远距离次表层目标回波仿真的运算量和内存需求，解决了三维复杂结构目标次表层回波无法直接数值计算的难题，用较低的运算量代价大幅提高了仿真数据与实际场景的吻合性。

(3)本发明公开了一种三维结构目标次表层回波仿真方法，精度高、实现简单、可靠性高，适用于内部结构探测雷达回波仿真。

附图说明

图1是本发明实施例中一种三维结构目标次表层回波仿真方法的步骤流程图；

图2是本发明实施例中一种时域有限差分方法网格剖分单元示意图；

图3是本发明实施例中一种小场景包围面外推至实际接收天线的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。

本发明的核心思想之一在于：提出一种三维结构目标次表层回波仿真方法，通过建立三维结构目标的小场景数值仿真空间，将远场发射源近似为小场景平面波入射，将小场景内三维结构目标包围面作为接收点，应用时域有限差分方法计算三维结构目标内部结构散射场，将小场景包围面接收场外推至实际接收天线，获得实际大场景的近似回波。

如图1，在本实施例中，该三维结构目标次表层回波仿真方法，包括：

步骤1，构建三维结构目标对应的三维正方体网格和数值仿真空间。

在本实施例中，首先，建立三维结构目标对应的介电常数模型；然后，对介电常数模型进行离散化，得到三维正方体网格。其中，三维正方体网格中第s个网格点的介电常数、磁导系数、电导率和磁导率分别为ε(s)、μ(s)、σ(s)和σ

进一步的，基于三维正方体网格，确定数值仿真空间。其中，数值仿真空间包含了三维正方体网格，数值仿真空间为三维正方体网格尺寸的2倍。

步骤2，设置回波仿真条件。

在本实施例中，由于发射天线距离目标较远，满足远场平面波入射条件R＞＞λ，故而将远距离的发射天线等效为近距离的平面波。其中，R表示发射天线与目标间的距离，λ表示波长。

考虑到平面波相位由发射天线与激励点距离决定，故而设置如下回波仿真条件：1)将入射波等效为平面波：在距离数值仿真空间边界3～5λ处设置脉冲平面波激励。2)将接收点设置为正方体包围面上的所有点：在距离目标3～5λ设置正方体包围面，并将接收点设置为正方体包围面上的所有点。

步骤3，基于构建的三维正方体网格、数值仿真空间、以及设置的回波仿真条件，通过数值计算得到正方体包围面上各处的电场。

在本实施例中，在通过数值计算得到正方体包围面上各处的电场时，可采用时域有限差分方法，在时间上交替迭代计算电场和磁场，逼真地模拟电磁波传输的过程。

优选的，如图2所示，可通过如下公式对三维正方体网格中各网格点的磁场和电场进行逐时递推，计算得到正方体包围面上各处的电场：

按照如下方式进行磁场的逐时递推：

按照如下方式进行电场的逐时递推：

其中，s＝(i,j,k)，表示三维正方体网格中各网格点的三维位置索引；

进一步的：

其中，Δt表示逐时递推的时间间隔。

步骤4，将正方体包围面上各处的电场外推至远距离的实际接收天线，得到远场电场，并记录各时刻的远场电场的电场值。

在本实施例中，根据惠更斯-菲涅尔原理，空间中任意一点的场强大小等于各次波源在该点产生的场的叠加。因此，可通过包围三维结构目标某一封闭面上的电场，获得空间中任意一点的电场，如图3所示。将正方体包围面上各处的电场外推至远距离的实际接收天线，得到远场电场。具体实现流程如下：

根据正方体包围面上各处的电场Ε

Ε

Ε

其中，Ε

根据计算得到的Μ

Ε

Ε

其中，Ε

优选的，G中各元素G

其中，z

优选的，G′中各元素G′

其中，z

步骤5，将记录的各时刻的远场电场的电场值排列起来作为实际天线接收到的时域回波。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。