一种动态海面激光脉冲波束回波仿真方法
一种动态海面激光脉冲波束回波仿真方法
【专利摘要】本发明涉及一种动态海面的激光脉冲波束回波仿真方法，基于统计海谱模型，利用逆FFT技术实现动态海面生成，模型考虑风速、浪高、海浪周期等参数；测量发射激光波束空间能量分布和脉冲形状，拟合得到任意激光波束的空时分布，基于能量守恒确定任意距离处剖面光强空间分布；基于辐射度学建立激光雷达波束后向散射回波雷达方程，水面面元作粗糙面处理，用双向反射分布函数表征；基于计算机图形库OpenGL完成场景的绘制、着色、渲染、实时动画、场景的消隐和裁剪。本发明既可用于不同海情样机动态交会虚拟实验，也有助于开展海面脉冲回波散射机理研究，能够节省大量成本。
【专利说明】一种动态海面激光脉冲波束回波仿真方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及目标与环境光散射特性研究领域，尤其涉及粗糙海面任意波束的激光脉冲回波仿真技术。
【背景技术】
[0002]激光近程雷达系统研制过程中需建立海背景回波仿真模型，为海上目标回波特性的数据采集、特征提取、控制和识别等研究提供必要的理论依据。目前激光近程雷达系统研制依赖大量的海上实验，这样即耗费大量的人力、物力，也难以掌握机理和规律。
[0003]在检索到的国内外公开及有限范围发表的文献中，有论文基于海面斜率的Cox-Munk模型介绍了海面高斯波束的反射模型，模型考虑了水面对波束的折射，讨论了水面光斑和风速的关系，但未见脉冲散射、水面面元的粗糙度影响、基于海谱模型的仿真等。另有论文介绍激光高斯波束海面双向反射的仿真方法，用遮蔽函数考虑面元遮蔽，但该方法不能用于动态海面回波模拟。综上所述，现有技术未公开对动态海面任意波束的激光脉冲回波的仿真方法。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提出一种动态海面的激光脉冲波束回波仿真方法，既可用于不同海情样机动态交会虚拟实验，也有助于开展海面脉冲回波散射机理研究，节省了大量成本，从而为激光近程雷达探测和抗干扰算法设计、参数选择、性能评估提供参考。
[0005]为了达到上述发明目的，本发明为解决其技术问题采用以下技术方案:
提供一种动态海面的激光脉冲波束回波仿真方法，用于实现海面近程激光雷达虚拟实验动态粗糙海面任意波束脉冲波束回波仿真；
所述仿真方法包含:
步骤1:用光学波形测量仪获得某一距离剖面上激光发射波束空间强度分布离散数据，拟合得到强度分布解析表达式，并基于能量守恒原理确定任意距离处剖面光强空间分布；
步骤2:用脉冲测量仪和示波器获得激光发射脉冲时域波形，拟合得到其解析式；
步骤3:根据不同海情，建立基于统计海谱模型的包含风速、浪高、海浪周期参数的动态海面模型，并基于逆FFT获得顶点的高程分布，法线分布，及其随时间变化特征；用空间频率域波分解方法表示海面，通过逆FFT得到海面空间高程表示；
步骤4:基于Torrance-Sparrow模型建立水面面元双向反射分布函数统计模型,从而获得海面的亮度空间角分布特性；
步骤5:基于辐射度学建立后向散射回波脉冲与发射波束、海面几何模型、面元双向反射分布函数统计模型、海水介电常数的关系式，获得激光波束后向散射脉冲雷达方程；
步骤6:基于步骤3中生成的动态海面模型数据，利用计算机图形库OpenGL实现对动态场景的着色、渲染、图像效果处理、纹理映射、实时动画绘制，并根据激光脉冲发射器的几何位置关系，绘制激光脉冲波形与海面的交互状态；
步骤7:针对场景中所有面元采用颜色索引方法，将面元的法线，材质信息编码耦合到像素颜色中，利用三维图形显示卡的硬件加速性能，根据发射接收视场实现将探测器坐标系下的场景从三维到二维的投影变换，从而获得投影到视口的像素信息，并对此像素信息进行解码分析，获得经过遮挡和消隐处理后的离散化场景信息；
步骤8:基于步骤5中得到的激光波束后向散射脉冲雷达方程，利用步骤7中获得的离散化场景信息与激光脉冲波束进行时域离散卷积，从而计算脉冲波束后向散射回波特性；根据结果对步骤4中基于Torrance-Sparrow模型建立的双向反射分布函数模型参数进行修正，直至模型有效。
[0006]基于优选的实施例可知，本发明所述动态海面的激光脉冲波束回波仿真方法中，基于统计海谱模型，利用逆FFT技术实现动态海面生成，模型考虑风速、浪高、海浪周期等参数；测量发射激光波束空间能量分布和脉冲形状，拟合得到任意激光波束的空时分布，基于能量守恒确定任意距离处剖面光强空间分布；基于辐射度学建立激光雷达波束后向散射回波雷达方程，水面面元作粗糙面处理，用双向反射分布函数表征，方程考虑海水体散射效应；基于计算机图形库OpenGL完成场景的绘制、着色、渲染、实时动画、场景的消隐和裁剪。
[0007]本发明带来以下有益效果:
本发明提出基于Torrance-Sparrow双向反射分布函数模型的海面激光脉冲波束回波仿真方法，实现了在任意波束能量分布激光脉冲对动态海面的后向散射回波模拟，获得了不同海情、不同距离、不同角度下的海面回波，解决了海面近程激光雷达系统设计对海环境光学特性的需要，和海上实验相比节省了大量的人力、物力，能够有效地为激光近程雷达探测和抗干扰算法设计、参数选择、性能评估提供参考。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1是本发明中的动态海面激光脉冲波束回波仿真流程图。
【具体实施方式】
[0009]以下结合【专利附图】
【附图说明】本发明的较佳实施例。
[0010]本发明的仿真方法原理如下:
如图1所示为本发明中动态海面激光脉冲波束回波仿真流程图，基于辐射度学建立脉冲波束激光雷达方程，方程考虑海水体散射效应，面元散射模型用Torrance-Sparrow双向反射分布函数模型表征；基于海谱模型和逆FFT技术完成动态海面生成；利用计算机图形技术完成场景渲染、消隐、裁剪。
[0011]仿真具体步骤如下:
步骤1:用光学波形测量仪获得某一距离剖面上激光发射波束空间强度分布离散数据，拟合得到强度分布解析表达式，基于能量守恒原理确定任意距离处剖面光强空间分布；高斯波束的拟合表达式为
【权利要求】
1.一种动态海面的激光脉冲波束回波仿真方法，用于实现海面近程激光雷达虚拟实验动态粗糙海面任意波束脉冲波束回波仿真，其特征在于: 所述仿真方法包含: 步骤1:用光学波形测量仪获得某一距离剖面上激光发射波束空间强度分布离散数据，拟合得到强度分布解析表达式，并基于能量守恒原理确定任意距离处剖面光强空间分布； 步骤2:用脉冲测量仪和示波器获得激光发射脉冲时域波形，拟合得到其解析式； 步骤3:根据不同海情，建立基于统计海谱模型的包含风速、浪高、海浪周期参数的动态海面模型，并基于逆FFT获得顶点的高程分布，法线分布，及其随时间变化特征；用空间频率域波分解方法表示海面，通过逆FFT得到海面空间高程表示； 步骤4:基于Torrance-Sparrow模型建立水面面元双向反射分布函数统计模型,从而获得海面的亮度空间角分布特性； 步骤5:基于辐射度学建立后向散射回波脉冲与发射波束、海面几何模型、面元双向反射分布函数统计 模型、海水介电常数的关系式，获得激光波束后向散射脉冲雷达方程； 步骤6:基于步骤3中生成的动态海面模型数据，利用计算机图形库OpenGL实现对动态场景的着色、渲染、图像效果处理、纹理映射、实时动画绘制，并根据激光脉冲发射器的几何位置关系，绘制激光脉冲波形与海面的交互状态； 步骤7:针对场景中所有面元采用颜色索引方法，将面元的法线，材质信息编码耦合到像素颜色中，利用三维图形显示卡的硬件加速性能，根据发射接收视场实现将探测器坐标系下的场景从三维到二维的投影变换，从而获得投影到视口的像素信息，并对此像素信息进行解码分析，获得经过遮挡和消隐处理后的离散化场景信息； 步骤8:基于步骤5中得到的激光波束后向散射脉冲雷达方程，利用步骤7中获得的离散化场景信息与激光脉冲波束进行时域离散卷积，从而计算脉冲波束后向散射回波特性；根据结果对步骤4中基于Torrance-Sparrow模型建立的双向反射分布函数模型参数进行修正，直至模型有效。
2.如权利要求1所述的动态海面的激光脉冲波束回波仿真方法，其特征在于: 步骤I中，高斯波束拟合得到的强度分布解析表达式为
2(~)
I(x,y,r,t) =——.P0 (?
TL.w [r)
,、I ( Λ-r V 2Λ
wIrJ = wO-J1+ ——J -W0 =— %为激光波束半径Y为激光发散角为激光半波束宽度ψο (60为脉冲时域波形。
3.如权利要求2所述的动态海面的激光脉冲波束回波仿真方法，其特征在于:步骤2中激光发射脉冲时域波形拟合得到的解析式为 价-論严其中&力脉冲能量a脉冲标准差，表示脉冲半宽度，为脉冲峰值延时。
4.如权利要求3所述的动态海面的激光脉冲波束回波仿真方法，其特征在于: 步骤3中，还用空间频率域波分解方法表示海面，通过逆FFT得到海面空间高程表示； 其中，决定开放海域波动态特性的色散关系近似为
5.如权利要求4所述的动态海面的激光脉冲波束回波仿真方法，其特征在于: 步骤4中，双向反射分布函数表达式为
6.如权利要求5所述的动态海面的激光脉冲波束回波仿真方法，其特征在于: 步骤5中，计算单个面元散射亮度为L^ixi J) H j； I(x,y,r,i) 探测器接收光的全部功率为
Pr (xi > JV O = 4.( Ui』)..C0S
a......卷/2)2
?— r}2 为面元面积，尽为水面面元法线和观测方向的夹角；探测器视场覆盖范围内所有面元的贡献为
【文档编号】G01S7/48GK103472443SQ201310436841
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年9月24日 优先权日:2013年9月24日
【发明者】王彪, 林嘉轩, 童广德 申请人:上海无线电设备研究所
【专利摘要】本发明涉及一种动态海面的激光脉冲波束回波仿真方法，基于统计海谱模型，利用逆FFT技术实现动态海面生成，模型考虑风速、浪高、海浪周期等参数；测量发射激光波束空间能量分布和脉冲形状，拟合得到任意激光波束的空时分布，基于能量守恒确定任意距离处剖面光强空间分布；基于辐射度学建立激光雷达波束后向散射回波雷达方程，水面面元作粗糙面处理，用双向反射分布函数表征；基于计算机图形库OpenGL完成场景的绘制、着色、渲染、实时动画、场景的消隐和裁剪。本发明既可用于不同海情样机动态交会虚拟实验，也有助于开展海面脉冲回波散射机理研究，能够节省大量成本。
【专利说明】一种动态海面激光脉冲波束回波仿真方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及目标与环境光散射特性研究领域，尤其涉及粗糙海面任意波束的激光脉冲回波仿真技术。
【背景技术】
[0002]激光近程雷达系统研制过程中需建立海背景回波仿真模型，为海上目标回波特性的数据采集、特征提取、控制和识别等研究提供必要的理论依据。目前激光近程雷达系统研制依赖大量的海上实验，这样即耗费大量的人力、物力，也难以掌握机理和规律。
[0003]在检索到的国内外公开及有限范围发表的文献中，有论文基于海面斜率的Cox-Munk模型介绍了海面高斯波束的反射模型，模型考虑了水面对波束的折射，讨论了水面光斑和风速的关系，但未见脉冲散射、水面面元的粗糙度影响、基于海谱模型的仿真等。另有论文介绍激光高斯波束海面双向反射的仿真方法，用遮蔽函数考虑面元遮蔽，但该方法不能用于动态海面回波模拟。综上所述，现有技术未公开对动态海面任意波束的激光脉冲回波的仿真方法。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提出一种动态海面的激光脉冲波束回波仿真方法，既可用于不同海情样机动态交会虚拟实验，也有助于开展海面脉冲回波散射机理研究，节省了大量成本，从而为激光近程雷达探测和抗干扰算法设计、参数选择、性能评估提供参考。
[0005]为了达到上述发明目的，本发明为解决其技术问题采用以下技术方案:
提供一种动态海面的激光脉冲波束回波仿真方法，用于实现海面近程激光雷达虚拟实验动态粗糙海面任意波束脉冲波束回波仿真；
所述仿真方法包含:
步骤1:用光学波形测量仪获得某一距离剖面上激光发射波束空间强度分布离散数据，拟合得到强度分布解析表达式，并基于能量守恒原理确定任意距离处剖面光强空间分布；
步骤2:用脉冲测量仪和示波器获得激光发射脉冲时域波形，拟合得到其解析式；
步骤3:根据不同海情，建立基于统计海谱模型的包含风速、浪高、海浪周期参数的动态海面模型，并基于逆FFT获得顶点的高程分布，法线分布，及其随时间变化特征；用空间频率域波分解方法表示海面，通过逆FFT得到海面空间高程表示；
步骤4:基于Torrance-Sparrow模型建立水面面元双向反射分布函数统计模型,从而获得海面的亮度空间角分布特性；
步骤5:基于辐射度学建立后向散射回波脉冲与发射波束、海面几何模型、面元双向反射分布函数统计模型、海水介电常数的关系式，获得激光波束后向散射脉冲雷达方程；
步骤6:基于步骤3中生成的动态海面模型数据，利用计算机图形库OpenGL实现对动态场景的着色、渲染、图像效果处理、纹理映射、实时动画绘制，并根据激光脉冲发射器的几何位置关系，绘制激光脉冲波形与海面的交互状态；
步骤7:针对场景中所有面元采用颜色索引方法，将面元的法线，材质信息编码耦合到像素颜色中，利用三维图形显示卡的硬件加速性能，根据发射接收视场实现将探测器坐标系下的场景从三维到二维的投影变换，从而获得投影到视口的像素信息，并对此像素信息进行解码分析，获得经过遮挡和消隐处理后的离散化场景信息；
步骤8:基于步骤5中得到的激光波束后向散射脉冲雷达方程，利用步骤7中获得的离散化场景信息与激光脉冲波束进行时域离散卷积，从而计算脉冲波束后向散射回波特性；根据结果对步骤4中基于Torrance-Sparrow模型建立的双向反射分布函数模型参数进行修正，直至模型有效。
[0006]基于优选的实施例可知，本发明所述动态海面的激光脉冲波束回波仿真方法中，基于统计海谱模型，利用逆FFT技术实现动态海面生成，模型考虑风速、浪高、海浪周期等参数；测量发射激光波束空间能量分布和脉冲形状，拟合得到任意激光波束的空时分布，基于能量守恒确定任意距离处剖面光强空间分布；基于辐射度学建立激光雷达波束后向散射回波雷达方程，水面面元作粗糙面处理，用双向反射分布函数表征，方程考虑海水体散射效应；基于计算机图形库OpenGL完成场景的绘制、着色、渲染、实时动画、场景的消隐和裁剪。
[0007]本发明带来以下有益效果:
本发明提出基于Torrance-Sparrow双向反射分布函数模型的海面激光脉冲波束回波仿真方法，实现了在任意波束能量分布激光脉冲对动态海面的后向散射回波模拟，获得了不同海情、不同距离、不同角度下的海面回波，解决了海面近程激光雷达系统设计对海环境光学特性的需要，和海上实验相比节省了大量的人力、物力，能够有效地为激光近程雷达探测和抗干扰算法设计、参数选择、性能评估提供参考。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1是本发明中的动态海面激光脉冲波束回波仿真流程图。
【具体实施方式】
[0009]以下结合【专利附图】
【附图说明】本发明的较佳实施例。
[0010]本发明的仿真方法原理如下:
如图1所示为本发明中动态海面激光脉冲波束回波仿真流程图，基于辐射度学建立脉冲波束激光雷达方程，方程考虑海水体散射效应，面元散射模型用Torrance-Sparrow双向反射分布函数模型表征；基于海谱模型和逆FFT技术完成动态海面生成；利用计算机图形技术完成场景渲染、消隐、裁剪。
[0011]仿真具体步骤如下:
步骤1:用光学波形测量仪获得某一距离剖面上激光发射波束空间强度分布离散数据，拟合得到强度分布解析表达式，基于能量守恒原理确定任意距离处剖面光强空间分布；高斯波束的拟合表达式为
【权利要求】
1.一种动态海面的激光脉冲波束回波仿真方法，用于实现海面近程激光雷达虚拟实验动态粗糙海面任意波束脉冲波束回波仿真，其特征在于: 所述仿真方法包含: 步骤1:用光学波形测量仪获得某一距离剖面上激光发射波束空间强度分布离散数据，拟合得到强度分布解析表达式，并基于能量守恒原理确定任意距离处剖面光强空间分布； 步骤2:用脉冲测量仪和示波器获得激光发射脉冲时域波形，拟合得到其解析式； 步骤3:根据不同海情，建立基于统计海谱模型的包含风速、浪高、海浪周期参数的动态海面模型，并基于逆FFT获得顶点的高程分布，法线分布，及其随时间变化特征；用空间频率域波分解方法表示海面，通过逆FFT得到海面空间高程表示； 步骤4:基于Torrance-Sparrow模型建立水面面元双向反射分布函数统计模型,从而获得海面的亮度空间角分布特性； 步骤5:基于辐射度学建立后向散射回波脉冲与发射波束、海面几何模型、面元双向反射分布函数统计 模型、海水介电常数的关系式，获得激光波束后向散射脉冲雷达方程； 步骤6:基于步骤3中生成的动态海面模型数据，利用计算机图形库OpenGL实现对动态场景的着色、渲染、图像效果处理、纹理映射、实时动画绘制，并根据激光脉冲发射器的几何位置关系，绘制激光脉冲波形与海面的交互状态； 步骤7:针对场景中所有面元采用颜色索引方法，将面元的法线，材质信息编码耦合到像素颜色中，利用三维图形显示卡的硬件加速性能，根据发射接收视场实现将探测器坐标系下的场景从三维到二维的投影变换，从而获得投影到视口的像素信息，并对此像素信息进行解码分析，获得经过遮挡和消隐处理后的离散化场景信息； 步骤8:基于步骤5中得到的激光波束后向散射脉冲雷达方程，利用步骤7中获得的离散化场景信息与激光脉冲波束进行时域离散卷积，从而计算脉冲波束后向散射回波特性；根据结果对步骤4中基于Torrance-Sparrow模型建立的双向反射分布函数模型参数进行修正，直至模型有效。
2.如权利要求1所述的动态海面的激光脉冲波束回波仿真方法，其特征在于: 步骤I中，高斯波束拟合得到的强度分布解析表达式为
2(~)
I(x,y,r,t) =——.P0 (?
TL.w [r)
,、I ( Λ-r V 2Λ
wIrJ = wO-J1+ ——J -W0 =— %为激光波束半径Y为激光发散角为激光半波束宽度ψο (60为脉冲时域波形。
3.如权利要求2所述的动态海面的激光脉冲波束回波仿真方法，其特征在于:步骤2中激光发射脉冲时域波形拟合得到的解析式为 价-論严其中&力脉冲能量a脉冲标准差，表示脉冲半宽度，为脉冲峰值延时。
4.如权利要求3所述的动态海面的激光脉冲波束回波仿真方法，其特征在于: 步骤3中，还用空间频率域波分解方法表示海面，通过逆FFT得到海面空间高程表示； 其中，决定开放海域波动态特性的色散关系近似为
5.如权利要求4所述的动态海面的激光脉冲波束回波仿真方法，其特征在于: 步骤4中，双向反射分布函数表达式为
6.如权利要求5所述的动态海面的激光脉冲波束回波仿真方法，其特征在于: 步骤5中，计算单个面元散射亮度为L^ixi J) H j； I(x,y,r,i) 探测器接收光的全部功率为
Pr (xi > JV O = 4.( Ui』)..C0S
a......卷/2)2
?— r}2 为面元面积，尽为水面面元法线和观测方向的夹角；探测器视场覆盖范围内所有面元的贡献为
【文档编号】G01S7/48GK103472443SQ201310436841
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年9月24日 优先权日:2013年9月24日
【发明者】王彪, 林嘉轩, 童广德 申请人:上海无线电设备研究所
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