一种空间分离平板的三维电磁散射参数化模型构建方法与流程

本发明涉及电磁计算及目标识别领域，特别涉及一种空间分离平板的三维电磁散射参数化解析模型的构建方法。

技术背景

雷达回波数据与目标的结构尺寸、雷达参数等紧密相关，从中提取的电磁散射特征为雷达图像解译、自动目标分类与识别提供了有力支撑。建立典型结构体的电磁散射模型是进行电磁特征提取的基础。

矩形平板作为一种典型的散射体结构几乎存在于所有的目标当中，由平板组合而成的其他结构如二面角、三面角等在目标识别领域被广泛研究。空间中相互分离的平板在实际需要中应用广泛，空间目标的主体与太阳能电池板之间可等效为典型的空间分离平板结构，如图1和图2所示。图1为典型的包括空间分离平板结构的空间目标实物图，图中所示的目标是某一类型的卫星，卫星主体为立方体，卫星主体与太阳能电池板相互分离，主体侧板与电池板可等效为图2所示的空间分离平板结构。图2中的平板i表示卫星主体侧板，平板ii表示电池板；平板i和平板ii之间有一定的距离即平板间隔，表示卫星主体侧板和电池板之间的距离。此外，地面对地面目标的影响，海面对舰船目标的影响等均可等效为空间中相互分离的平板结构。而针对这种结构，考虑分离部件之间的相互影响建立电磁散射模型分析其相互作用机制的研究尚未展开。

相比于二面角结构，空间分离平板结构更加复杂，不同平板间的遮挡、二次反射情况更加多样。在一定的入射角度范围内，二面角结构可视为空间分离平板结构在平板间隔为零时的特殊情况。

目标的电磁散射回波可通过外场测量、暗室测量、电磁计算软件仿真等不同的途径获取。其中，在外场测量和暗室测量中，实测数据和半实测数据的获取成本高昂；另外，电磁计算软件需要消耗巨大的内存空间，上述方法均无法满足实时获取数据的需求。相比之下，目标电磁散射参数化模型用一组参数化的数学公式描述电磁散射随目标结构姿态尺寸以及雷达参数的变化规律，在满足计算精度的同时极大提高了计算效率。此外，参数化方法可迁移能力强，产生的数据物理意义清晰。因此，构建三维电磁散射参数化模型对研究空间分离平板的电磁散射特性具有重要意义。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是建立空间分离平板结构的三维电磁散射参数化解析模型，便于实时、精确地表征目标电磁散射特性。

本发明技术方案的基本思路是：利用物理光学积分方法分别计算两平板的一次散射项回波和二次散射项回波，然后将上述四项叠加生成空间分离平板的总回波响应。在计算过程中涉及到积分区域的界定，需要根据电磁波入射角度与两平板尺寸位置关系讨论一次照射与二次照射情况。

本发明的技术方案：图2是本发明的空间分离平板几何结构示意图。如图所示，三维空间xyz的坐标轴分别为x轴、y轴和z轴，坐标原点为o。矩形的平板i长为b宽为a，位于xoz平面内，并且平板i的四边分别平行于xoz平面的坐标轴，平板i的重心位于坐标原点o。矩形的平板ii长为c宽为a，位于yoz平面内，对边分别平行或垂直于y轴。平板ii与平板i的间距为d。两平板均由理想导电材料组成且目标尺寸(即a、b、c的取值)设定远大于入射电磁波波长。图3是双基地雷达的球坐标几何示意图。如图所示，在三维空间xyz中，在高频远场电磁波照射条件下，雷达发射电磁波的电场矢量为其中，和分别表示垂直极化单位向量和水平极化单位向量，eθ表示方向的电场强度，eφ表示方向的电场强度。雷达发射的电磁波照射到空间分离平板结构的入射方位角为φt，0°＜φt＜90°，入射俯仰角为θt，0°＜θt＜90°，雷达接收电磁波的接收俯仰角为θr，接收方位角为φr。计算空间分离平板结构电磁散射响应的总体流程如图4所示，包括下述步骤：

第一步：分析不同入射角度条件下平板i的照射情况；

根据下述不同情况计算平板i一次散射项物理光学积分区域的下限x1、上限x2，平板i二次散射项物理光学积分区域的下限x1'、上限x2'：

情况1：如果或

则x1＝x2＝x1'＝x2'＝0；

情况2：如果或者

则

情况3：如果

则

情况4：如果

则

第二步：利用物理光学积分公式计算平板i的回波响应；

首先利用下式计算平板i的一次散射项回波响应

其中：

ψx1＝k(sinθtcosφt+sinθrcosφr)，ψz＝k(cosθt+cosθr)，

再利用下式计算得到平板i的二次散射项回波响应

其中：

ψx2＝k(sinθrcosφr-sinθtcosφt)，ψz＝k(cosθt+cosθr)。

第三步：分析不同入射角度条件下平板ii的照射情况；

平板ii在一次照射时整个平板均可被入射电磁波照射到，根据下述不同情况计算平板ii二次散射项物理光学积分区域的下限y1、上限y2：

情况1：如果则y1＝y2＝0；

情况2：如果或者则y1＝d,y2＝y；

情况3：如果则y1＝d,

情况4：如果则y1＝d,y2＝d+c。

其中，y为等式中y的取值。

第四步：利用物理光学积分公式计算平板ii的回波响应；

首先利用下式计算得到平板ii的一次散射项回波响应

其中：ψy1＝k(sinθtsinφt+sinθrsinφr),ψz＝k(cosθt+cosθr)。

然后利用下式计算得到平板ii的二次散射项回波响应

其中：

ψy2＝k(sinθrsinφr-sinθtsinφt),ψz＝k(cosθt+cosθr)。

第五步：将四项回波数据叠加组合成空间分离平板总的回波响应

本发明的有益效果是：本发明通过分析空间分离平板各组成部分(平板i和平板ii)的一次和二次散射现象，建立空间分离平板的三维电磁散射模型。该模型在保证计算精度的同时，大大提高了计算效率满足实时处理的要求。此外参数化模型中参数直接对应目标物理模型的姿态和尺寸，物理意义清晰。为目标三维重构、雷达图像解译和自动目标识别提供了有力支撑。

附图说明

图1是典型空间目标实物图；

图2是本发明的空间分离平板几何结构示意图；

图3是双基地雷达的球坐标几何示意图；

图4是本发明的总体流程图；

图5是不同入射角度下两平板照射情况分析示意图；

图6-图9是本发明建模结果与电磁计算软件仿真结果对比图。

具体实施方式

为了对本发明进行更加清楚的描述，下面就不同入射角度下空间分离平板的物理光学积分区域和公式推导进行详细描述。

空间分离平板结构在电磁波照射下的回波响应由四部分构成，分别为平板i的一次散射项回波响应平板i的二次散射项回波响应平板ii的一次散射项回波响应和平板ii的二次散射项回波响应在利用物理光学积分公式计算各项回波前，首先根据入射角度判断两平板的一次和二次照射情况(即积分区域)。然后将得到的积分区域上下限代入到物理光学积分公式中计算得到两平板的一次和二次散射项回波响应。最终将上述四项回波响应叠加生成空间分离平板结构的总回波响应。

因为在不同电磁波入射角度下，平板i受平板ii的遮挡情况不同，同时两个平板之间的二次照射情况也存在不同。图5是在θt∈(0°,90°),φt∈(0°,90°)条件下的各平板的一次和二次照射情况。其中，图5(a)表示平板i的一次照射情况，浅色区域表示被照射的部分，深色区域表示平板i因被平板ii遮挡未被照射的部分，由左至右分别对应前述的情况1至情况4。图5(b)表示平板i的二次照射情况，浅色区域表示电磁波经由平板ii反射照射到平板i的部分，深色区域表示平板i没有被二次照射的部分，由左至右分别对应前述的情况1至情况4。图5(c)表示平板ii的一次照射情况，在φt∈(0°,90°)的条件下，平板ii总能全部被入射电磁波照射到，不存在被遮挡情况。图5(d)表示平板ii的二次照射情况，图中浅色区域表示电磁波经由平板i反射照射到平板ii的部分，深色区域表示平板ii没有被二次照射的部分，由左至右分别对应前述的情况1至情况4。通过这种分情况讨论，可以精确地反映空间分离平板结构的电磁散射特性。

将本发明的建模结果与电磁计算软件cst中sbr算法的仿真结果进行了比较。实验所用空间分离平板的物理尺寸为a＝b＝1m，c＝2m，d＝0.5m，发射电磁波频率f＝10ghz。图6-图9分别对应四组不同实验的结果对比图，表1给出了每组实验对应的电磁波入射角度，每组实验对应的电磁波接收角度是变化的。实验1-4对应的四组实验，分别对应平板i和平板ii的照射情况1-4。

表1本发明验证实验分组情况

在图6-图9中，(a)图均为本发明建模数据与电磁计算软件cst中sbr算法的二维数据比较结果，其中横坐标均为雷达接收电磁波的接收方位角，纵坐标均为接收俯仰角，图中画出了各接收角度下接收电磁波幅度图。(a)图中的每一列对应一种极化方式，由左到右分别对应hh极化(即eθ＝0)、hv极化(即eφ＝0)、vh极化(即eθ＝0)和vv极化(即eφ＝0)。第一行是本发明建模数据在不同接收方位角度和接收俯仰角度下的幅度图，第二行是cst仿真数据在不同接收方位角度和接收俯仰角度下的幅度图，第三行是两者复数数据相干做差后的幅度图。如图所示，在四种照射情况以及不同极化方式下，相干误差幅度始终低于-20db，说明本发明的电磁散射建模结果达到了与电磁计算软件相近似的精度。为了更加形象地说明对比结果，将图6-图9中(a)图中接收俯仰角度固定，得到回波数据幅度随接收方位角度的变化曲线，如对应的(b)图所示，图中带“o”的曲线表示本发明建模结果，实线表示电磁计算软件仿真结果，从图中可以看出，两条曲线基本完全重合，进一步验证了本发明的建模精度。此外，我们还比较了四组实验二者的平均计算时间，电磁计算软件cst计算本实验设定尺寸的空间分离平板回波平均需要35分钟，而本发明的参数化模型平均仅需2.3秒，本发明提出的方法在保证计算精度的同时极大地提高了计算效率。