一种快速任意形状随机箔条云团建模方法与流程

本发明涉及雷达目标特性仿真技术。

背景技术：

箔条作为一种历史悠久、制作简单、作用简单、成本低廉的无源干扰物，已经广泛应用在电子对抗中。箔条云团回波仿真一般是在对单根箔条进行动力学和电磁学建模的基础上，依托统计模型正向获得箔条云团的回波数据。然而，动力学建立的箔条云团与实际差距非常之大，导致在此基础上计算的回波与实际回波有量级上的误差。同时，箔条云团包含数以百万的单根箔条，属于电大尺寸、复杂结构电磁散射问题。基于以上两点，使得箔条云团几何电磁仿真建模极具挑战。

西安电子科技大学在专利“弹载雷达跟踪到运动目标后的箔条云干扰回波模拟方法”(公开号：cn108020819a)中，先得到箔条云的目标的合成质心坐标，再求出每个距离门上的箔条数，然后得到单根箔条的干扰调制值，最后矢量叠加并与发射信号卷积，得到干扰回波信号。北京润科通用技术有限公司在专利“一种箔条干扰回波模拟方法及系统”(公开号：cn106019248a)中，利用平均多普勒和平均rcs对箔条干扰数据进行仿真调试，生成基带箔条干扰数据，同样与采集的雷达发射信号进行卷积，成成基带箔条回波信号。电子科技大学在专利“一种针对反舰导弹末制导雷达的分布式无源协同干扰方法”(公开号：cn107300691a)中，主要解决的技术问题是在多平台编队受到反舰导弹威胁时，多平台编队中的平台之间怎样使用箔条弹协同干扰反舰导弹末制导雷达。

上述三个专利，全部采用平均的概念得到干扰回波，无法与真实的箔条云团回波进行对比验证，只能定性分析。侧重点略有不同，第一个和第二个方案侧重箔条云团回波仿真，第三个方案侧重多平台之间的协同干扰策略。

目前现有公开文献期刊中，箔条云团一般采用运动学和电磁学模型相结合的方式建模。电子科技大学宁永昌硕士论文《箔条云团的电磁散射特性的精确建模与应用》中，采用精确的数值计算方法电场积分方程计算箔条云团的散射特性。在《系统工程与电子技术》期刊上于新源发表的《箔条云团雷达回波建模与仿真》论文中，采用cuda并行计算解决了箔条云团仿真计算量大的问题。两者均是重点关注后期的电磁学模型，没有与实际相互对比。

技术实现要素：

本发明提供一种快速任意形状随机箔条云团建模方法，在试验数据的基础上，基于fdtd网格剖分技术进行任意形状随机箔条几何建模，然后基于bvh层次包围盒实现快速并行射线追踪，以期快速而准确地获取回波特性。

本发明的技术方案在于提供一种快速任意形状随机箔条云团建模方法，包括以下步骤：

步骤1、根据试验数据，获取不同状态下的箔条云团时序高清影像，建立箔条云团三维几何模型；

步骤2、采用fdtd网格剖分技术将catia建模的箔条云团外形进行yee氏网格剖分，合并生成不同尺度的长方体；

步骤3、根据箔条云团在空间的密度分布，建立箔条云团模型；

步骤4、根据生成的箔条云团，建立bvh层次包围盒；

步骤5、利用弹跳射线法采用mpi并行计算时序回波。

步骤1中，根据试验数据，获取不同状态下的箔条云团时序高清影像，采用opencv技术获取箔条的空间位置并导入catia中，建立箔条云团三维几何模型。

可选地，步骤2中，采用fdtd网格剖分技术将catia建模的箔条云团外形进行yee氏网格剖分，根据每个yee氏网格三维尺度，最大程度地合并内部yee氏网格，形成不同尺度的长方体。

可选地，步骤3中，在每个不同尺度的长方体中构建相应密度的箔条云团；

可选地，步骤3中，根据箔条云团在空间的密度分布，设置不同尺寸长方体内箔条云团的密度，然后随机生成长方体内的箔条位置、方向，进而生成箔条云团。

可选地，步骤4中，针对任意一个状态建立bvh层次包围盒，进行射线追踪。

可选地，步骤5中，采用mpi并行方式，针对不同状态进行并行回波计算，进而获取箔条云团的动态回波特性。

可选地，步骤4中，根据生成的箔条云团，选择划分用的轴，使得沿该轴分布时最为松散；然后采用中点划分策略进行bvh层次包围盒构建；再采用结点遍历方法进行射线追踪。

可选地，步骤5中，针对动态过程中的试验数据，根据步骤1、2、3、4建立不同时间、不同状态的箔条云团模型，利用弹跳射线法采用mpi并行计算时序回波。

可选地，步骤4中，在发射射线与箔条云团求交时，先与包围箔条云团的最大包围盒求交，依次递归直至最小的包围盒，进而与最小包围盒内的四边形箔条逐一求交。

附图说明

图1所示的是yee氏网格剖分的示意图。

图2所示的是建立的长方体箔条云团。

图3所示的是采用fdtd网格剖分技术的基础上建立的抛物线状箔条云团，是一种常见的箔条云团外形。

图4所示的是本发明建模方法的流程示意图。

具体实施方式

以下说明本发明的具体实施方式。

1.提出一种任意形状随机箔条几何建模方法。

一般认为，单发箔条弹中包含数以百万根箔条，待其达到成熟期，形成一个服从正态分布的球体。随着时间的推移，云团受到风速和重力因素的影响，逐步由球体向锥体变形。

上述演绎法很难建立与实际过程相一致的模型，外力的不稳定性是影响整个建模精度的关键因素。为了获取更加精确的箔条云团模型，可以采用归纳法弥补演绎法的不足。

归纳法，即在试验数据进行统计分析获得箔条云团的模型。试验数据基于的是真实外力情形，箔条云团模型往往呈现不规则的“仙女散花”形状。传统的建模方法已经不再适用，本发明提出一种任意形状随机箔条几何建模方法。

采用fdtd网格剖分技术对箔条云团几何形状进行yee氏网格剖分，如图1所示。最大程度地合并内部yee氏网格，形成不同尺度的长方体。设置相应的箔条密度，进而随机生成整个体积范围的箔条云团分布。

2.提出基于bvh层次包围盒的四边形箔条云团快速电磁建模方法。

在电磁散射计算中，最佳的数据结构加速结构是kd-tree，已经得到广泛的应用。kd-tree射线求交速度最快，然而构建kd-tree耗费时间，因此特别适用于静态场景。箔条云团一直处在运动过程中，每个状态构建一次kd-tree耗费相当的计算时间。

采用bvh层次包围盒在射线求交速度上略有损失，但是bvh层次包围盒创建过程低廉。kd-tree相对于空间进行划分，把图元分配到不同的节点中，而bvh换了一种角度，它会划分图元。bvh的内存是有上限的，由于图元的数量不会因为划分而增长，故而需要开辟的空间是可以预先计算的，而节点的数量也不会超过2*n-1(n为图元的数量)。

在发射射线(代表入射电场)与箔条云团求交时，先与包围箔条云团的最大包围盒求交，依次递归直至最小的包围盒，进而与最小包围盒内的四边形箔条逐一求交。使用四边形网格比三角形减少了一倍的搜索数量，性能进一步提升。

将箔条云团扩散过程中，不妨每一个时刻独立地分析，可以采用mpi多核并行的方式加速回波特性的计算。通过上述bvh层次包围盒、四边形箔条模型与mpi并行将极大程度地完成箔条云团的电磁散射建模。

现以箔条云团几何电磁建模为例，说明整个实现过程，流程如下：

首先根据试验数据，绘制箔条云团扩散过程中的几何外形，可以在catia中通过三视图进行创建。其次采用fdtd网格剖分技术已经创建的三维模型，最大程度地合并内部yee氏网格。然后在每个不同尺度的长方体中构建相应密度的箔条云团。在此基础上，针对某一状态建立bvh层次包围盒，进行射线追踪。最后，采用mpi并行方式，针对不同状态进行并行回波计算，进而获取箔条云团的动态回波特性。

如图4所示，箔条云团几何电磁建模实现具体步骤如下：

步骤1：根据试验数据与资料，进行不同状态下箔条云团时序高清影像的获取。采用opencv技术获取箔条的空间位置并导入catia中，建立箔条云团三维几何模型，为后续建立箔条云团提供空间尺寸分布。

步骤2：采用fdtd网格剖分技术将catia建模的箔条云团外形进行yee氏网格剖分，根据每个yee氏网格三维尺度，最大程度地合并内部yee氏网格，形成不同尺度的长方体。

步骤3：根据箔条云团在空间的密度分布，设置不同尺寸长方体内箔条云团的密度，然后随机生成长方体内的箔条位置、方向，进而生成箔条云团。

步骤4：根据生成的箔条云团，选择以哪根轴(x，y，z)上进行划分。一般而言，图元沿着某根轴分布的最为“松散”，那么就沿着该轴进行划分。确定了以哪根轴进行划分之后，可以采用中点划分策略进行bvh层次包围盒构建。然后采用传统的结点遍历方法进行射线追踪。

步骤5：针对动态过程中试验数据，根据步骤1、2、3、4建立不同时间、不同状态的箔条云团模型，利用弹跳射线法采用mpi并行计算时序回波。

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。