基于近场包围面扫描极化散射数据的目标外形反演方法与流程

本发明涉及雷达目标极化散射建模与特征提取的方法，具体是指一种基于近场包围面扫描极化散射数据的目标外形反演方法，属于雷达目标特性分析与目标识别的技术领域。

背景技术：

雷达目标极化散射特性不仅反映了不同极化状态下目标雷达散射截面(rcs，radarcrosssection)的尺度信息变化，还可以通过不同极化通道之间的幅值与相位差异反演目标的几何外形信息。

目标极化散射数据可以通过转台目标的逆合成孔径雷达(isar，inversesyntheticapertureradar)成像来获取，距离向分辨率通过雷达入射波带宽来实现，方位向分辨率通过转台入射角变化宽度来实现，由此得到目标在距离向与方位向的二维成像，获取目标几何形状特征和强散射源或散射中心分布特征，具体可参见文献《黄培康、殷红成、许小剑，雷达目标特性[m]，北京，电子工业出版社，2005》。但是，任何目标都是三维空间中的立体几何，一方面由于空间立体几何对入射电磁波的遮挡导致阴影区域的目标几何特征无法成像，另一方面三维目标在isar二维成像中存在多个目标几何特征在同一个成像分辨率单元内的叠掩效应，这些因素不利于对目标外形几何特征反演和目标强散射中心的定位与诊断。

为了对目标几何轮廓特征进行反演，在文献《邢曙光、吕晓德、丁赤飚，基于柱面扫描近场成像的rcs测量方法研究[j]，雷达学报，2015，4(2):172-177》中，提出了一种目标近场圆柱扫描三维成像方法，入射波带宽实现距离向分辨率，沿圆柱面的纵向和横向观测分别实现俯仰向和方位向的分辨率。为了满足复杂电大尺度目标成像需求，一方面入射波频率、角度和圆柱纵向采样间隔要非常小，保证成像区域完全覆盖目标区域，另一方面入射波带宽要比较大，扫描圆柱面要足够长来保证较高的成像分辨率，但是不管是通过电磁散射仿真，还是通过暗室测量实验，目标圆柱扫描的三维成像都存在非常大的工作量。

目标极化分解理论表明，目标几何形状的变化与姿态可以通过目标散射矩阵分解的极化参数来表征。在文献《huynen,j.r.phenomenologicaltheoryofradartargets[d].delft,thenetherlands:universityoftechnology1970》中，huynen将散射矩阵分解为表征目标散射幅值、取向、对称性等具有物理含义的极化参数。在文献《cameron,w.l.,youssef,n.n.,leung,l.k.simulatedpolarimetricsignaturesofprimitivegeometricalshapes[j].geoscienceandremotesensing,ieeetransactionson,1996,34(3):793-803》中，cameron将目标散射分类为螺旋体、二面角、窄二面角、三面角、圆柱、偶极子、四分之一波器件等多种散射体类型，它们从不同侧面反映了目标几何形状的结构变化。在文献《paladini,r.,ferrofamil,l.,pottier,e.,etc.pointtargetclassificationviafastlosslessandsufficientomega-psi-phiinvariantdecompositionofhigh-resolutionandfullypolarimetricsar/isardata[j].proceedingsoftheieee,2013,101(3):798-830》中，palandini则对实际测量中不满足互易性的非对称散射矩阵进行能量无损的、极化不变性参数分解，获得了一组描述目标几何特征的极化参数。此外，不同目标的极化参数存在比较大的差异，相同目标在不同的姿态角下也会存在比较大的极化参数变化，因此目标极化参数可以作为一组目标散射特征用于雷达目标识别研究，具体可参见文献《baird,c.,kersey,w.,giles,r.,etc.classificationoftargetsusingoptimizedisareulerimagery[c].indefenseandsecuritysymposium,2006；62100a-62100a-11》。

基于上述，本发明提出一种基于近场包围面扫描极化散射数据的目标外形反演方法，已解决现有技术存在的问题和缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于近场包围面扫描极化散射数据的目标外形反演方法，实现不同极化状态下目标强散射源或散射中心的诊断与定位，为雷达目标低可探测的几何外形设计提供理论数据参考，并可利用目标几何外形引起的极化参数变化为雷达目标探测与识别提供重要的参考依据。

为实现上述目的，本发明提供一种基于近场包围面扫描极化散射数据的目标外形反演方法，包含以下步骤：

s1、按目标长度方向，构建目标近场扫描椭圆柱状包围面；

s2、采用两个正交偶极子作为近场扫描的发射天线与接收天线，获取目标椭圆柱状包围面上的近场散射函数的分布数据；

s3、计算目标近场散射函数的分布数据的huynen参数；

s4、基于huynen参数，对目标外形轮廓特征进行反演。

所述的s1中，以目标的长度方向的坐标轴为中心轴，形成将目标完全包围在内的椭圆柱状包围面，且该椭圆柱状包围面的柱体长度大于目标长度，椭圆截面的长半轴和短半轴的长度分别比目标横截面内两正交方向的最大尺寸的一半长1m。

所述的s2中，具体包含以下步骤：

s21、在椭圆柱状包围面上，沿包围面平行于x方向的切向分别放置两个正交的电类型或磁类型偶极子天线，分别作为发射偶极子天线和接收偶极子天线；

s22、通过测量获取目标的后向散射电场或磁场数据，进而计算对应的散射复函数，记为：

其中，p,q＝v,h，分别表示发射偶极子天线和接收偶极子天线的极化；v表示垂直极化，方向与椭圆柱状包围面的椭圆截面相切；h表示水平极化，方向平行于椭圆柱状包围面的柱体轴向；

s23、根据近场目标散射以及分别设置发射偶极子天线和接收偶极子天线的不同极化状态，获取目标椭圆柱状包围面上的近场全极化散射函数的分布数据，即目标近场散射矩阵为：

其中，表示沿椭圆柱状包围面的椭圆截面的方位角变化；x表示椭圆柱状包围面上平行于柱体中心轴的距离变化。

所述的s22中，沿椭圆柱状包围面的柱体中心轴进行等距离间隔测量，获取目标的后向散射电场或磁场的纵向数据；沿椭圆柱状包围面的椭圆截面进行等方位角间隔测量，获取目标的后向散射电场或磁场的横向数据。

所述的s3中，huynen参数包括：

m表示最大同极化响应幅值；

ψ,τm分别表示最大同极化响应时椭圆极化基的旋转角与椭圆角，且-90°≤ψ≤90°，-45°≤τm≤45°；

ν表示共轭特征值之间的相位差异，且-45°≤ν≤45°；

γ为目标特征角或极化角，表示目标对入射极化的敏感性，且0°≤γ≤45°。

所述的s3中，将目标近场散射矩阵s变换为k矩阵，以实现huynen参数的快速求解，具体包含以下步骤：

s31、对散射矩阵s变换，得到k矩阵的表达形式为：

其中，表示kronecker乘积；且：

s32、设定k矩阵的各个分量，且表示为：

其中，a0,b0是取向角不变性参数；

将k矩阵表示为huynen参数ψ,τm,ν的欧拉旋转，具体为：

s33、通过对s32中的公式的变量代换，推出通过k矩阵分量快速计算huynen参数的表示如下：

其中，参数l和m的表达方式为：

所述的s32中，sd，u(ψ)，u(τm)，u(ν)分别表示为：

所述的s4中，通过得到的散射矩阵的huynen参数，获取目标极化不变的极化特征参数，通过极化特征参数的物理含义与变化范围，建立其与目标几何外形之间的关联，从而通过极化特征参数的变化反演目标的外形几何特征。

所述的s4中，具体包含以下步骤：

s41、根据huynen参数，获取目标极化不变的极化特征参数为：表示目标最大同极化响应幅值的m，以及表示目标特征角或极化角的γ；

s42、对参数m设置目标散射响应阈值，大于或等于该目标散射响应阈值的区域被认定为目标散射区域；

s43、设置参数γ的变化阈值，通过低于该变化阈值的γ值定位目标边缘特征。

综上所述，本发明所提供的基于近场包围面扫描极化散射数据的目标外形反演方法，能够通过目标极化参数反演目标外形几何特征，实现不同极化状态下目标强散射源或散射中心的诊断与定位，不仅为雷达目标低可探测的几何外形设计提供理论数据参考，反过来利用目标几何外形引起的极化参数变化为雷达目标探测与识别提供重要的参考依据。

附图说明

图1为本发明中的目标近场扫描椭圆柱状包围面的示意图；

图2为本发明中的目标近场散射函数的分布数据的huynen参数的计算流程图；

图3为本发明中的金属平板的近场包围面扫描极化散射数据结果的示意图；

图4为本发明中的金属平板的近场极化扫描数据huynen参数分解结果的示意图；

图5为本发明中的基于huynen参数的金属平板边缘特征提取的示意图；

图6为本发明中的基于近场包围面扫描极化散射数据的目标外形反演方法的流程图。

具体实施方式

以下结合图1～图6，通过优选实施例对本发明的技术内容、构造特征、所达成目的及功效予以详细说明。

如图6所示，为本发明提供的基于近场包围面扫描极化散射数据的目标外形反演方法，包含以下步骤：

s1、按目标长度方向，构建目标近场扫描椭圆柱状包围面；

s2、采用两个正交偶极子作为近场扫描的发射天线与接收天线，获取目标椭圆柱状包围面上的近场散射函数的分布数据；

s3、计算目标近场散射函数的分布数据的huynen参数；

s4、基于huynen参数，对目标外形轮廓特征进行反演。

在近场条件下，目标散射与雷达天线、目标观测距离相关，即近场目标散射需要综合考虑雷达天线方向图和观测距离的影响。为此，提出需要将近场观测距离和雷达天线类型进行规范统一，从而形成近场目标散射的规范表示形式。

雷达天线类型的统一主要基于天线的电磁辐射特性。天线上的变化电荷和变化电流是作为激发电磁波的辐射源，它们本身构成了偶极子辐射。实际的天线则可以看作为由许多偶极子组合而成，而天线所激发的电磁场可以看作为这些偶极子所激发的电磁场的叠加。根据电磁场叠加原理，任意入射或散射电磁场均可分解为无限小的理想电或磁偶极子辐射场的组合。

本发明将理想偶极子作为雷达发射及接收天线，则近场目标散射可以表示为：

其中，u,v＝e,m，分别表示发射及接收偶极子的电或磁类型，其中e表示电类型，m表示磁类型；ri为发射偶极子与目标表面之间的距离；rs为接收偶极子与目标表面之间的距离；l为散射复函数，该散射复函数与目标散射特性、偶极子类型及取向有关。

假设发射与接收天线均为电类型的偶极子，入射电磁波为理想的电类型偶极子辐射的非均匀球面波，则散射复函数l可表示为：

其中，λ为电磁波波长；η为自由空间的波阻抗，idl为发射电类型偶极子的强度，es表示传播至接收偶极子天线的电磁波电场矢量。为了表述方便，上式中的l省略了下标“ee”，表示发射与接收的都是电类型偶极子天线。

进一步，将近场观测距离进行统一规范。要求发射偶极子与接收偶极子至目标表面的距离统一采用单位距离，即ri＝rs＝1m，由此，近场目标散射则表示为：

一般来说，目标表面的几何形状不是规则变化的，观测天线到目标表面的单位距离也将较为复杂。因此，在实际应用中需要进行一定的近似约定。而本发明中，则约定采用目标椭圆柱状包围面的概念来规范天线到目标的距离。即所述的s1中，以目标的长度方向的坐标轴为中心轴，形成将目标完全包围在内的椭圆柱状包围面，且该椭圆柱状包围面的柱体长度大于目标长度，且椭圆截面的长半轴和短半轴的长度分别比目标横截面内两正交方向的最大尺寸的一半还长1m。

如图1所示，以目标为飞机为例，以飞机长度方向的坐标轴为中心轴，形成将飞机完全包围在内的椭圆柱状包围面，并且要求这个椭圆柱状包围面的柱体长度大于飞机的长度，同时椭圆截面的长半轴和短半轴的长度分别比飞机横截面内两个正交方向的最长长度的一半还长1m。

所述的s2中，具体包含以下步骤：

s21、在椭圆柱状包围面上，沿包围面平行于x方向的切向分别放置两个正交的电类型或磁类型偶极子天线，分别作为发射偶极子天线和接收偶极子天线；如图1中所示，h、v分别表示两个偶极子的放置形式；

s22、通过测量获取目标的后向散射电场或磁场数据，进而计算对应的散射复函数，记为：

其中，p,q＝v,h，分别表示发射偶极子天线和接收偶极子天线的极化；v表示垂直极化，方向与椭圆柱状包围面的椭圆截面相切；h表示水平极化，方向平行于椭圆柱状包围面的柱体轴向；

s23、根据近场目标散射以及分别设置发射偶极子天线和接收偶极子天线的不同极化状态(也就是通过改变偶极子天线的极化，实现发射与接收天线的不同极化状态)，模拟水平极化与垂直极化下的近场目标散射，获取目标椭圆柱状包围面上的近场全极化散射函数的分布数据，即目标近场散射矩阵为：

其中，表示沿椭圆柱状包围面的椭圆截面的方位角变化；x表示椭圆柱状包围面上平行于柱体中心轴的距离变化。

所述的s22中，沿椭圆柱状包围面的柱体中心轴进行等距离间隔测量，获取目标的后向散射电场或磁场的纵向数据；沿椭圆柱状包围面的椭圆截面进行等方位角间隔测量，获取目标的后向散射电场或磁场的横向数据。

对于目标近场散射矩阵s，假设目标散射满足互易性，则散射矩阵是对称矩阵，即shv＝svh。那么，huynen分解将满足散射互易的对称散射矩阵s分解为：

s＝u^*(ψ,τm,ν)sdu^h(ψ,τm,ν)；

其中，上标*表示共轭，上标h表示共轭转置；且：

也就是说，对于u(ψ)，u(τm)，u(ν)，其可分别表示为：

上述分解形式也称为相合变换，u(ψ,τm,ν)表示相合变换矩阵，m表示最大同极化响应幅值；ρ表示目标散射的绝对相位；ψ,τm分别表示最大同极化响应时椭圆极化基的旋转角与椭圆角，且-90°≤ψ≤90°，-45°≤τm≤45°；同时，τm的取值表示目标在垂直于雷达视线平面内的对称性，τm＝0°为对称性散射体，τm≠0°为非对称散射体；ν表示共轭特征值之间的相位差异，且-45°≤ν≤45°；同时ν与回波的散射次数相关，奇次散射时ν＝0°，偶次散射时ν＝±45°，因此也称为目标跳跃角；γ为目标特征角或极化角，表示目标对入射极化的敏感性，且0°≤γ≤45°。

上述提到的参数ψ,τm,m,ν,γ即为huynen参数。由于直接通过散射矩阵s的分解来计算各个huynen参数是不易实现的，因此在本发明中，考虑将散射矩阵s变换为kennaugh矩阵(k矩阵)，从而实现huynen参数的快速求解。

如图2所示，所述的s3中，具体包含以下步骤：

s31、与散射矩阵的定义相类似，k矩阵表示目标的入射波矢量与散射stokes矢量的变换关系；并且利用入射波矢量与stokes矢量之间的变换关系，对散射矩阵s变换可得k矩阵的形式为：

其中，表示kronecker乘积；且：

s32、设定k矩阵的各个分量，且表示为：

其中，a0,b0是取向角不变性参数；其他各个分量均为根据s31中的方式计算得到；经过矩阵变换可以证明，k矩阵可以表示为huynen参数ψ,τm,ν的欧拉旋转，表示为：

s33、通过对s32中的公式的变量代换，除了目标散射绝对相位参数ρ，可以推出通过k矩阵分量快速计算huynen参数的表示如下：

其中，参数l和m的表达方式为：

在本发明的一个优选实施例中，以边长为1m×0.6m的金属平板作为目标进行测试，该金属平板与x轴的夹角为15°。设置椭圆柱状包围面的长度为2m，沿柱体中心轴进行0.005m的等距离间隔测量和采样，沿椭圆截面进行0.5°的等方位角间隔测量和采样，入射波频率为15ghz，获得全极化椭圆柱状包围面的近场扫描结果，如图3所示。其中，图像动态范围单位为db，且图3(a)左半部分为hh极化，右半部分为hv极化，图3(b)左半部分为vh极化，右半部分为vv极化。

随后对金属平板的近场极化散射数据进行huynen分解，得到的huynen参数分别如图4所示。其中，图4(a)显示-35db≤10log10m≤15db，并通过图4(a)目标最大同极化响应幅值可以定位出目标强散射区域，在目标散射区域。图4(b)显示0≤tanγ≤1，其中低γ值的区域显示了目标边缘轮廓分布。图4(c)显示-90°≤ψ≤90°，图4(d)显示-10°≤τm≤10°，图4(e)显示-45°≤ν≤45°，且ψ,τm,ν都趋于零，表明了金属平板在当前姿态和天线极化条件下的目标特性。

所述的s4中，通过得到的散射矩阵的huynen参数，获取目标极化不变的极化特征参数，通过极化特征参数的物理含义与变化范围，建立其与目标几何外形之间的关联，从而通过极化特征参数的变化反演目标的外形几何特征。

所述的s4中，具体包含以下步骤：

s41、根据huynen参数，获取目标极化不变的极化特征参数为：表示目标最大同极化响应幅值的m，以及表示目标特征角或极化角的γ；

s42、对参数m设置目标散射响应阈值，大于或等于该目标散射响应阈值的区域被认定为目标散射区域，小于该目标散射响应阈值的区域被认定为背景噪声，从而定位出在平面内的目标区域；

s43、根据目标几何外形与huynen参数之间的相关性，确定目标边缘散射表现为偶极子散射特性，此时参数γ接近于零；由此设置参数γ的变化阈值，通过低于该变化阈值的γ值定位目标边缘特征。

以图4中的金属平板散射的huynen参数为例，首先通过m设定参数阈值确定目标区域如图5(a)所示，为m≥1的目标区域二值图像。其次对目标区域的γ进行判断，得到低γ参数散射点，如图5(b)所示，为tan²γ≤1的平板边缘特征(灰色圆点表示)。通过图5(b)中低γ参数散射点与目标边缘比较可以看出，huynen参数m,γ不仅可以实现目标边缘轮廓特征的反演，同时m还定位了目标强散射源的分布。

综上所述，本发明所提供的基于近场包围面扫描极化散射数据的目标外形反演方法，在目标坐标系下建立将目标包围在内的椭圆柱状包围面，采用偶极子天线对目标进行近场全极化扫描，改变偶极子天线取向来获取不同极化状态下的目标散射数据；通过包围面横向与纵向扫描结果，可以直接获得目标二维散射图像，进而获得目标强散射源或散射中心横向与纵向分布位置，并对目标强散射中心位置处的目标极化散射矩阵进行相干分解，采用相干目标的极化分解方法获取目标极化不变性参数，最后通过目标极化参数与几何形状之间的相关性(物理含义与变化范围)来反演目标几何外形。

本发明能够通过目标极化参数反演目标外形几何特征，实现不同极化状态下目标强散射源或散射中心的诊断与定位，不仅为雷达目标低可探测的几何外形设计提供理论数据参考，反过来利用目标几何外形引起的极化参数变化为雷达目标探测与识别提供重要的参考依据。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。