一种太赫兹频段表面粗糙目标电磁散射的快速计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明主要涉及雷达目标电磁散射仿真技术领域，尤其是一种太赫兹频段超电大 尺寸表面粗糙目标电磁散射的建模与快速计算方法。
【背景技术】
[0002] 太赫兹目标散射特性是利用太赫兹进行主动式探测所面临的基础性问题。已有学 者对太赫兹频段下目标散射特性的计算方法进行了卓有成效的探索，然而现有研宄通常沿 用了微波频段下目标表面光滑的假设，由于太赫兹波长远小于微波，这一假设在实际情况 中很难成立。实验研宄表明，在太赫兹频段，粗糙表面会对目标散射特性产生显著影响。
[0003] 基于矩量法（MethodofMoments，MOM)的精确数值方法由于过大的存储要求与计 算复杂度，并不被认为适于进行太赫兹频段的散射计算。现有研宄一般选用基于几何光学 (GeometricalOptics，GO)、物理光学（PhysicOptics，P0)以及射线追踪的高频方法进行 太赫兹散射计算，然而这些方法的高效性是以目标表面光滑假设为前提的，然而实际情况 下，尤其是当波长接近目标表面的粗糙起伏时，目标表面并不能看作是理想光滑表面。如何 在太赫兹频段目标散射建模计算中考虑表面粗糙对目标散射的影响仍是一个有待研宄的 问题，针对这一问题，当前并没有有效的手段。
【发明内容】
[0004] 本发明主要解决在太赫兹频段下具有表面粗糙特征的目标电磁散射的计算问题。 在太赫兹频段，由于目标电尺寸远高于微波频段下目标电尺寸，因此在利用精确数值方法 时，面临着未知数数量过多、问题规模过大的问题，这大大限制了所能计算目标的尺寸。对 于高频近似方法，进行目标建模时面片尺寸无需受到波长的限制，因此高频近似方法相比 于精确数值方法能求解尺寸更大的目标的散射问题。但高频方法对目标建模时，默认了目 标表面是光滑表面，及忽略目标表面粗糙对电磁散射的影响。在太赫兹频段，电磁波波长的 减小使得目标表面光滑的假设不再适用，若仍默认采用光滑假设，则会给计算结果带来较 大偏差。
[0005] 本发明提出了一种太赫兹频段表面粗糙目标电磁散射的快速计算方法，是一种面 片分级的半确定性目标建模方法，并采用E.Bahar针对粗糙面散射问题提出的全波理论实 现对表面粗糙目标的电磁散射计算。基于面片分级的半确定性目标建模方法能够满足既描 绘目标形状又反映目标表面的粗糙特征的要求，同时降低了目标模型占用的存储空间。基 于全波理论的粗糙面散射快速计算方法对较宽范围的粗糙参数具有良好的适应性，计算效 率高，能实现对粗糙目标散射的快速计算。
[0006] 一种太赫兹频段表面粗糙目标电磁散射的快速计算方法，包括以下步骤：
[0007] 第一步，初始化设置，具体包含介电参数设定、入射与散射角度采样点设定、仿真 频率采样点设定。
[0008] 第二步，基于两级面片剖分的半确定性目标几何建模。
[0009] ①第一级面片建模：利用宏观小微观大面片对目标进行建模并构成一级面片。
[0010] ②第二级面片建模：根据目标表面粗糙参数的先验信息，建立粗糙模板面片，并根 据粗糙模板面片在一级面片上进行进一步剖分，形成更精细的第二级面片。每个一级面片 都有对应于自己的二级面片。
[0011] 这里涉及到两个坐标系：目标坐标系和一级面片坐标系。每个一级面片都有自己 对应的一级面片坐标系，其Z轴正向与该一级面片的法矢方向平行，其坐标原点为该一级 面片的外心（外接圆圆心）。一级面片坐标系得定义如下：
[0012]
[0013] 其中，奂为目标坐标系x轴正向单位矢量，6为一级面片法向单位矢量。
[0014] 在一级面片坐标系中，根据一级面片的三个顶点的坐标从粗糙模板面片中选出落 在该区域中的二级面片，选中的二级面片即为对应该一级面片的二级面片。
[0015] 第三步，基于全波理论（fullwavealgorithm，FWA)的散射场快速计算。
[0016] ①一级面片坐标系中粗糙面散射场计算。
[0017] 根据全波理论，粗糙面散射场可表示为：
[0018] 一… S
[0019] 其中，上标i与S分别代表与入射场和散射场相关的参量，亡P)、& 分别 代表入射与散射电场，T1、Ts分别为入射场、散射场的极化旋转矩阵，F为散射系数矩阵， 皮、f分别为入射、散射方向的单位矢量，R为目标坐标系中心到观察点的距离，F与P分 别代表场点与场源的位置矢量：
为自由空间波数，为影印及遮蔽函数。 上式中的入射与散射场分别用极化分量表不如下：
[0020]
[0021] 其中，上标H与V分别代表水平极化与垂直极化。
[0022] 式（2)中散射系数矩阵F的定义如下：
[0023]
[0024] 其中，npr^、e^h分别为反射率、相对波阻抗、相对介电系数和相对磁导率，它 们可分别由介质〇与介质1中电参数表示如下：
[0025]
[0026]
子别代表入射与散射角的余弦与正弦，上标〇或1用以 区分介质〇和介质1，两种介质中入射与散射角的关系可以通过折射定律确定。式（4)中
子别代表入射与散射平面间夹角的余弦与正弦。
[0027] ②坐标变换。场的极化矢量与传播方向矢量涉及一级面片坐标系以及二级面片坐 标系的定义，一级面片坐标系由目标坐标系和一级面片单位法向矢量决定，如式（1)所示， 二级面片坐标系的定义由一级面片坐标系和二级面片单位法向矢量决定，其定义方法与一 级面片坐标系相似：
[0028]
[0029] 其中，下标n代表二级面片局部坐标系，^代表二级面片的法向单位矢量，利用式 (6)的坐标系定义，入射与散射场极化方向单位矢量在一级以及二级面片坐标系中的定义 为：
[0030]
[0031] 根据式（7)中对极化矢量的定义，可以得出极化旋转矩阵Ti、Ts的表达式为：
[0032]
[0033]
[0034] ③相位补偿与散射场相干叠加。在一级面片坐标系下计算出散射场并转换至全局 坐标系后，需根据面片在全局坐标系中的位置计算补偿相位并施加至散射场中，最后将所 有面片的散射场相干叠加即可得到目标的总散射场。
[0035] 第四步，根据第一步中设定的仿真角度及频率采样点进行循环，即重复第三步，直 至仿真设定范围内的角度与频点都计算完毕。
[0036] 在第二步的"第一级面片建模"中，所述的"宏观小微观大"需要满足以下两个要 求：在宏观上，剖分精细程度能够较精确的描述目标的形状特征；在微观上，片面尺寸足够 大，能够支持表面粗糙统计特征的描述。一级面片只用于对目标的形状进行建模，而不考虑 目标的表面粗糙特性。一级面片由目标的形状决定，是对目标的确定性建模。为使一级面 片满足宏观小围观大的要求，通常选取进行目标剖分所用的三角面片边长远大于A/8,通 常选取为50~100入。
[0037] 在第二步的"第二级面片建模"中，二级面片利用蒙特卡洛结合谱滤波以及快速傅 里叶变换实现。本发明采用谱域滤波的方法实现，该方法能够建立绝大多数能用功率谱描 述的随机耜糙而，其津樟忖趕可衷示如下：
[0038] ^ 、
.，
[0039] 其中，
勾二维随机粗糙 面的功率谱，kx，ky分别代表波数域的x分量与y分量。Randn(x，y)表示每一个由（x，y)确 定的随机变量都服从标准正