一种基于单站雷达的金属目标间的耦合散射中心建模方法

技术领域

本发明属于电磁计算技术领域，特别是一种基于单站雷达的金属目标间的耦合散射中心建模方法。

背景技术

自上世纪五六十年代起，雷达目标散射中心模型便随着雷达识别系统的发展引起广泛关注。散射中心模型的构建方法总体上可分为两类：一类是基于参数估计的逆向方法，不受目标自身和雷达分辨率的限制，但是参数估计方法往往精度较低并且耗费巨大的计算资源；另一类是基于目标几何模型的正向方法，反映了目标的形状和尺寸等精细的物理信息，可以更为精确的逼近真实的目标，且更为高效。

属性散射中心模型包含了目标的散射场对频率和方位角的依赖性，具有明确的物理意义，能够解释目标的形状、姿态和位置信息。近年来，人们提出了各种建立属性散射中心模型的方法。文献1(H. Kang, L. Xu, H. Zhao, J. Li, Q. Guo and J. Zhang, "ARobust Scattering Center Extraction Method and Its Application in In ISARImaging," in IEEE Sensors Journal, vol. 23, no. 21, pp. 26302-26310, 1 Nov.1,2023.)提出了一种基于距离-方位轮廓重构的散射中心提取方法，但是该算法为逆向方法，需要较高的计算时间成本，限制了目标耦合散射中心提取中的应用。文献2(K. Huang, S.-Y. He, Y. -H. Zhang, H. -C. Yin, Z. -D. Bian and G. -Q. Zhu, "CompositeScattering Analysis of the Ship on a Rough Surface Based on the ForwardParametric Scattering Center Modeling Method," in IEEE Antennas and WirelessPropagation Letters, vol. 18, no. 12, pp. 2493-2497, Dec. 2019.)提出了一种从目标粗糙表面组合模型中提取散射中心的正向建模方法，此方法从CAD模型中获取目标散射中心模型参数，但是该方法在处理耦合散射中心时采用了光程差等效的原则，在处理更为复杂的目标时，需要多次对射线的传播路径等效，计算效率有所降低。专利CN110083915A公布了一种高频区雷达目标散射中心正向自动化建模方法，自动化正向推算散射中心属性参数，与目标结构有着清晰的对应关系，更利于目标识别。但该方法在处理具有强耦合散射中心的目标时精度较低，不适用于该类型目标。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模型描述精确度高、计算过程效率高、位置准确、模型描述简洁的基于单站雷达的金属目标间的耦合散射中心建模方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于单站雷达的金属目标间的耦合散射中心建模方法，包括以下步骤：

步骤1、使用计算机仿真软件对目标整体进行几何建模，然后以面元法向量以及面元的不连续性作为依据对目标进行部件分解剖分，并将不同部件和面元依次编号，使用弹跳射线法对所有面元进行遮挡判断和射线追踪；

步骤2、根据射线的弹跳次数、路径对射线进行分类，依据目标回波和形状函数间的傅里叶变换关系，使用相位等效的原则求解每条射线的等效点，获得等效点的分布；

步骤3、计算每个集合中的等效点在距离向和方位向上的投影大小，确立散射中心类型；

步骤4、根据散射中心的类型，分别确立位置、幅度、长度以及频率因子相关参数，得到属性散射中心模型，实现目标属性特征提取。

进一步地，步骤1中使用计算机仿真软件对目标整体进行几何建模，然后以面元法向量以及面元的不连续性作为依据对目标进行部件分解剖分，并将不同部件和面元依次编号，使用弹跳射线法对所有面元进行遮挡判断和射线追踪，具体如下：

步骤1.1、设定所有目标存在多个散射机制不同的面，利用计算机仿真软件对目标整体进行几何建模；

步骤1.2、对目标进行部件分解，对每个面依次编号；

步骤1.3、将所有的面剖分为三角形面元，对所有三角形面元和点编号；

步骤1.4、使用弹跳射线法对所有面元进行遮挡判断；

步骤1.5、依次对每一个三角面元进行射线追踪。

进一步地，步骤1.2中对目标进行部件分解，遵循以下原则：

（1）对目标进行分解，得到的是全部实体部件的集合；

（2）将目标表面法向向量的突变作为依据进行部件分解；

（3）拆分后目标的各个部件的散射机制明确，一个部件不存在多种散射机制。

进一步地，步骤1.3中将所有的面剖分为三角形面元，对所有三角形面元和点编号，具体如下：

将所有的面剖分为三角形面元，三角形面元的边长不小于

进一步地，步骤1.5中依次对每一个三角面元进行射线追踪，具体如下：

步骤1.5.1、根据雷达入射方向确定入射射线

步骤1.5.2、对于每一个三角形面元，入射射线

步骤1.5.3、判断反射射线与其他三角形面元是否有交点：如果存在交点，记录三角形面元的部件号以及三角形面元的编号，计算下一次反射的方向，进入步骤1.5.4；如果不存在交点，则直接进入步骤1.5.5；

步骤1.5.4、判断同一条入射射线的弹射次数是否大于6次：如果不大于6次则返回步骤1.5.3；如果大于6次则舍弃此次追踪的射线，并且跳转至下一条射线的分析；

步骤1.5.5、判断最后一次反射方向和雷达入射方向的夹角是否大于90°，若不小于90°则舍弃此次追踪的射线，并且跳转至下一条射线的分析，若小于90°则认为射线有效。

进一步地，步骤2中根据射线的弹跳次数、路径对射线进行分类，依据目标回波和形状函数间的傅里叶变换关系，使用相位等效的原则求解每条射线的等效点，获得等效点的分布，具体如下：

步骤2.1、根据射线的弹跳次数分别求解能与多次弹跳的射线产生相同电场贡献的等效点，若弹跳次数为1，则三角形面元的几何中心就是等效点；若弹跳次数大于1，则根据相位等效的原则求解每条射线的等效点，具体如下：

根据高频近似方法，由感应电流产生的远区散射场表示为：

(1)

其中，

步骤2.2、在逆孔径雷达成像当中，多次弹射的雷达回波看作形状函数的傅里叶变换形式：

(2)

其中

(3)

其中

步骤2.3、分别将雷达入射方向的

(4)

进一步地，步骤3中计算每个集合中的等效点在距离向和方位向上的投影大小，确立散射中心类型，具体如下：

步骤3.1、根据属性散射中心理论，目标的总散射场

(5)

其中，

步骤3.2、遍历每个集合中的所有射线，分别计算集合中的等效点在方位向上的投影并且获得投影的最大值和最小值

步骤3.3、设置方位向上的判定阈值

当

进一步地，步骤4中根据散射中心的类型，分别确立位置、幅度、长度以及频率因子相关参数，得到属性散射中心模型，实现目标属性特征提取，具体如下：

步骤4.1、局部散射中心的长度

(6)

其中，

步骤4.2、分布式散射中心在方位向上的长度不为0且依赖于方位角和集合中的射线，分别计算集合中的等效点在距离向上的投影并且获得投影的最大值和最小值

步骤4.3、设置距离向上的阈值

(7)

其中

当

(8)

其中

(9)

其中

由于

(10)

集合的散射中心等效为两个点

(11)

其中，

本发明与现有技术相比，其显著优点为：（1）考虑目标间的耦合散射中心，对模型的描述更为精确；（2）通过相位等效方法求解等效点，计算过程更为高效，位置更为准确；（3）根据等效点的点云对散射中心进行分类，模型的描述更为简洁。

附图说明

图1是本发明基于单站雷达的金属目标间的耦合散射中心建模方法的流程示意图。

图2是本发明实施例中SLICY模型的几何结构示意图。

图3是本发明实施例中SLICY模型的几何部件分解结构示意图。

图4是本发明实施例中射线追踪过程的原理示意图。

图5是本发明实施例中局部式散射中心的示意图。

图6是本发明实施例中距离向投影小于阈值时的分布式散射中心的示意图。

图7是本发明实施例中距离向投影大于阈值时的分布式散射中心的示意图。

图8是本发明实施例中SLICY模型的散射中心示意图。

图9是本发明实施例中SLICY模型耦合散射中心ISAR图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。

结合图1所示流程图，本发明一种基于单站雷达的金属目标间耦合散射中心的建模方法，包括以下步骤：

步骤1、使用计算机仿真软件对目标整体进行几何建模，然后以面元法向量以及面元的不连续性作为依据对目标进行部件分解剖分，并将不同部件和面元依次编号，使用弹跳射线法对所有面元进行遮挡判断和射线追踪；

步骤2、根据射线的弹跳次数、路径对射线进行分类，依据目标回波和形状函数间的傅里叶变换关系，使用相位等效的原则求解每条射线的等效点，获得等效点的分布；

步骤3、计算每个集合中的等效点在距离向和方位向上的投影大小，确立散射中心类型；

步骤4、根据散射中心的类型，分别确立位置、幅度、长度以及频率因子相关参数，得到属性散射中心模型，实现目标属性特征提取。

作为一种具体示例，步骤1中使用计算机仿真软件对目标整体进行几何建模，然后以面元法向量以及面元的不连续性作为依据对目标进行部件分解剖分，并将不同部件和面元依次编号，使用弹跳射线法对所有面元进行遮挡判断和射线追踪，SLICY模型的尺寸大小如图2所示，图中分别标注了模型各边的长度和角反的夹角，结合图3所示，图中将SLICY模型的不同部件分别编号为1-15，仅标注平面波入射下的亮区部件，本发明中使用SandiaLaboratories Implementation of Cylinders（SLICY）模型来说明，具体如下：

步骤1.1、设定所有目标存在多个散射机制不同的面，利用计算机仿真软件对目标整体进行几何建模；

步骤1.2、对目标进行部件分解，对每个面依次编号；

步骤1.3、将所有的面剖分为三角形面元，对所有三角形面元和点编号；

步骤1.4、使用弹跳射线法对所有面元进行遮挡判断；

步骤1.5、依次对每一个三角面元进行射线追踪。

作为一种具体示例，步骤1.2中，对目标进行部件分解时，需要遵循以下原则：

（1）对目标进行分解，得到的是全部实体部件的集合；

（2）将目标表面法向向量的突变作为依据进行部件分解；

（3）确保拆分后目标的各个部件的散射机制足够简单明了，一个部件不存在多种散射机制。

作为一种具体示例，步骤1.3中，将所有的面剖分为三角形面元，对所有三角形面元和点编号，具体如下：

将所有的面剖分为三角形面元，三角形面元的边长不小于

作为一种具体示例，步骤1.5中，依次对每一个三角面元进行射线追踪，结合图4，其中

步骤1.5.1、根据雷达入射方向确定入射射线

步骤1.5.2、对于每一个三角形面元，入射射线

步骤1.5.3、判断反射射线与其他三角形面元是否有交点：如果存在交点，记录三角形面元的部件号以及三角形面元的编号，计算下一次反射的方向，进入步骤1.5.4；如果不存在交点，则直接进入步骤1.5.5；

步骤1.5.4、判断同一条入射射线的弹射次数是否大于6次：如果不大于6次则返回步骤1.5.3；如果大于6次则舍弃此次追踪的射线，并且跳转至下一条射线的分析；

步骤1.5.5、判断最后一次反射方向和雷达入射方向的夹角是否大于90°，若不小于90°则舍弃此次追踪的射线，并且跳转至下一条射线的分析，若小于90°则认为射线有效。

作为一种具体示例，步骤2中根据射线的弹跳次数、路径对射线进行分类，依据目标回波和形状函数间的傅里叶变换关系，使用相位等效的原则求解每条射线的等效点，获得等效点的分布，具体如下：

步骤2.1、根据射线的弹跳次数分别求解能与多次弹跳的射线产生相同电场贡献的等效点，若弹跳次数为1，则三角形面元的几何中心就是等效点；若弹跳次数大于1，则根据相位等效的原则求解每条射线的等效点，具体如下：

根据高频近似方法，由感应电流产生的远区散射场可以表示为：

(1)

其中，

步骤2.2、在逆孔径雷达成像当中，多次弹射的雷达回波可以看作其形状函数的傅里叶变换形式：

(2)

其中

(3)

其中

步骤2.3、分别将雷达入射方向的

(4)

作为一种具体示例，步骤3中，计算每个集合中的等效点在距离向和方位向上的投影大小，确立散射中心类型，具体如下：

步骤3.1、根据属性散射中心理论，目标的总散射场

(5)

其中，

步骤3.2、遍历每个集合中的所有射线，分别计算该集合中的等效点在方位向上的投影并且获得投影的最大值和最小值

步骤3.3、设置方位向上的判定阈值

当

作为一种具体示例，步骤4中，根据散射中心的类型，分别确立位置、幅度、长度以及频率因子相关参数，得到属性散射中心模型，具体如下：

步骤4.1、图5表示SLICY模型中角反射器部分的等效点点阵，局部散射中心的长度

(6)

其中，

步骤4.2、分布式散射中心在方位向上的长度不为0且依赖于方位角和集合中的射线，分别计算集合中的等效点在距离向上的投影并且获得投影的最大值和最小值

步骤4.3、设置距离向上的阈值

(7)

其中

如图7所示，当

(8)

其中

(9)

其中

由于

(10)

集合的散射中心等效为两个点

(11)

其中，

实施例

针对金属目标间的耦合散射中心的建模困难、成像精度低的问题，传统的散射中心模型建模方法所需时间较久，不具有广泛的应用性。

本实施例以SLICY模型为例，雷达参数为：雷达中心频率

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。