一种基于快速射线追踪的毫米波辐射亮温获取方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于快速射线追踪的毫米波辐射亮温获取方法，包括S1获得待测场景中立体目标表面微面元；S2根据待测场景设置的视场范围和扫描角度间隔建立成像平面，根据位于成像平面上的像素点坐标与仿真中接收场景辐射信号天线的位置获得扫描射线依次遍历各像素点，获得多个观测方向上的扫描射线；S3根据微面元和所述扫描射线并采用射线追踪算法获得辐射信号传输路径；S4根据目标毫米波发射率和所述辐射信号传输路径，获得不同观测方向上到达所述天线处的毫米波辐射亮温。本发明能高效、准确地获取目标场景毫米波辐射亮温分布，为复杂场景毫米波辐射特性研究提供更多的有用信息。
【专利说明】
-种基于快速射线追踪的毫米波福射亮溫获取方法
技术领域
[0001 ]本发明属于无源微波遥感与探测技术领域，更具体地，设及一种基于快速射线追 踪的复杂场景毫米波福射亮溫计算方法。
【背景技术】
[0002] 对于复杂场景的毫米波福射亮溫计算是当前研究的热点也是难点。对于较为简单 的立体结构目标，通常可W通过构造实体几何法(CSG)对场景目标进行=维几何表示，直接 获取模型表面的法向量等几何特征信息，能够很方便地对场景中毫米波福射信号进行模拟 计算，发表的文献有《电子与信息学报》的《地物微波福射亮溫的图像模拟方法》。Maciej等 人在《3D rendering of passive millimeter-wave scenes using modified open source software》提出了基于一种开源擅染软件Blender的毫米波福射计算方法，利用 Blender中的射线追踪包对复杂场景中的福射信号进行亮溫追踪计算。在上述现有技术中， 对于复杂场景的射线追踪而言，CSG很难建立复杂目标的几何模型无法完成对复杂目标的 射线追踪，Blender擅染法无法真实地模拟复杂场景中福射信号多次发射过程，运必然会对 仿真结果的真实性产生影响。
【发明内容】
[0003] 针对当前的应用需求W及现有技术的不足，本发明提供了一种基于快速射线追踪 的毫米波福射亮溫获取方法，目的在于加快射线与目标表面的求交过程，有效地模拟复杂 场景中的多次反射和阴影的效果，提高复杂场景的福射亮溫计算效率和计算准确度。
[0004] 本发明提供了一种基于快速射线追踪的毫米波福射亮溫获取方法，包括下述步 骤：
[0005] Sl:获得待测场景中立体目标表面微面元；
[0006] 例如，可W先建立复杂立体结构目标几何模型，并通过网格剖分得到立体目标表 面=角微面元模型；
[0007] S2:根据所述待测场景设置的视场范围和扫描角度间隔建立成像平面，所述成像 平面为视场范围按所述扫描角度间隔离散化后的结果;根据位于所述成像平面上的像素点 坐标与仿真中接收场景福射信号天线的位置获得扫描射线，依次遍历各像素点，获得 多个观测方向上的扫描射线；
[0008] 其中，扫描角度间隔由天线半功率波束宽度内采样点数目确定;像素点横坐标为 该观测方向方位角，纵坐标为该观测方向俯仰角；
[0009] S3:根据射线追踪算法获得福射信号传输路径；
[0010] S31:判断第a个观测方向上的扫描射线与所述微面元是否有交点，若是，则获 得福射信号当前反射路径，存入当前反射路径traceb=i，并进入步骤S32;若否，则所述扫描 射线;1。,,为反射背景，并进入步骤S34;
[0011] 其中，射线与所述微面元的交点p(i，j)可W通过扫描射线与平面的求交运算来确 定;福射信号的当前反射路径可W通过菲涅尔反射定理来确定；
[0012] S32:判断当前反射路径与所述微面元是否有交点，若是，则进入步骤S33，若否，贝U 当前反射路径为反射背景，并进入步骤S34;
[0013] S33:获得下一个反射路径，存入反射路径traceb=b+i，并转入步骤S32;
[0014] S34:由已存入反射路径TRACEa= 得到所述观测方向上福射信号 的传输路径，a = a+1，返回至步骤S31;
[0015] 其中，所述反射路径包括相交面元和入射角；
[0016] S4:根据目标毫米波发射率和福射信号传输路径，计算不同观测方向上到达所述 天线处的毫米波福射亮溫。
[0017] 更进一步地，在步骤Sl中，面元节点信息和节点信息分别W面元表和节点表的形 式导入，目标微面元模型可表示为:M= {N，F};其中，N= {m: l《i《CN}是节点表，Cn是节点 总数;在直角坐标系中，m= (Xi，yi, Zi)表示微面元模型中的第i个节点，Xi、yi和Zi分别表示 节点在直角坐标系中的；维坐标;F={fj: j《Cp}是面元表，Cf是面元总数;fj=(nvi，nv2, nv3)表示微面元在面元表中的第j个面元，其中（nvi，nv2，nv3)表示微面元。的；个顶点分别 为节点表中的第vl、v2、v3个节点；
[001引更进一步地，在步骤S2中，视场范围包括横向扫描范围出can和纵向扫描范围Vscan, 其中横向扫描范围Hscan即为方位角范围，纵向扫描范围Vscan即为俯仰角范围；将Hscan与Vscan 分别W等角度间隔进行离散化，得到横向扫描序列Hscan=化1山，…，hm}及纵向扫描序列 Vscan= {V1，V2，'。，Vn}，由扫描序列即可得到二维成像平面P= {pi,j: j《n}，其 中像素点坐标Pi，f化I，V山h功方位角，V功俯仰角；
[0019] 更进一步地，在步骤S2中，将目标坐标系进行坐标旋转，将观测点旋转至X轴正半 轴，坐标为(D，0，0)，其中D为观测距离，旋转矩阵R可表示为：
[0020]
[0021 ]其中，曰、盼别为观测俯仰角和方位角，由此像素点几何坐标可表示为Pi，j= {〇,拆tan化i)， D*tan(Vj)/cos(hi)}，得至I源始坐标系中扫描射线向量
；
[0022] 更进一步地，在步骤S3中，在遍历离散点过程中，通过建立目标包围盒W减少线面 求交次数，具体实现包括:将节点表进行坐标旋转后投影到成像平面，目阳/ =F*R，通过户的 y坐标及Z坐标分布区间确定包围盒投影范围，对投影范围外的像素点可直接判断为背景， 不必与目标面元进行线面求交运算；
[0023] 更进一步地，在步骤S3中，利用微面元外法线方向与扫描射线的夹角关系，剔除被 目标自身遮挡的部分面元；
[0024] 其中，任一微面元fj外法线方向向量由对应顶点n V1、n V 2、n V 3通过
^确定，^与射线是夹角可通过如下表达式
计 算得出，若COS目<0，则目>90°该面元可见，反之该面元不可见;对面元表F中各面元逐一判定， 取得候选面元表Fiisti;
[0025] 更进一步地，在步骤S3中，利用一种用于光线与=角形网格求交运算的剔除算法， 加快毫米波福射射线与目标面元簇的求交过程。算法中，一条射线被定义为两个非平行平 面的交线，通过=角形和测试平面的相交判断，快速剔除与射线不相交的目标面元；
[0026] 其中第一测试平面1法向量由射线京与原点到观测点P的连线5声确定，即
第二测试平面2法向量由射线另。与第一测试平面1法向量确定，即 面元节点与平面位置关系，可由节点到平面距离确定，具体实现包括:首 先，计算候选面元表Fiisti中各节点到第一测试平面1距湾
，由于只需判断 dti正负，计算过程中忽略分母;其次，逐一遍历面元表，判断=角面元各节点到第一测试平 面1距离的正负，若3个节点全为正或全为负，则判定该面元不可见，取得候选面元表Fiist2; 最后，遍历候选面元表Flist2,判断候选面元表Flist2中各节点到第二测试平面2距离，取得候 选面兀表Flist3。
[0027] 更进一步地，在步骤S3中，采用一种射线与=角形快速求交方法，具体实现包括:首 先，定义射
0为射线起点，单位向量D为射线方向向量，定义=角面上任一点 T(u,v) = (1-u-v)Vo+uVi+vV2,（11,￥)是；角形相对坐标，满足11>0，￥>0，11+￥《1，则射线 与S角面元交点可定义为0+访=(I-U-V) V〇+uVi+vV2;其次，令垃=V广Vo瓜=V2-V0，T=O-Vo，利用 线性代数相关的知识，该式可被表示3
， 解得该方程即可求得义点T(u, V) = (l-u-v)V〇+uVi+vV2，满足U^O，V^O，u+v《1;然后，对候 选面元表Flist3逐一求解，若不存在交点，则判断该面元不可见，若存在一个或多个交点，贝U 取距离观测点最近的交点P( i，j )所在面元作为反射面元fNext。
[002引更进一步地，在步骤S4中，沿福射路径进行亮溫计算，应当根据公式TB(I) = Tiei+ 沿福射信号传输路径从福射源最后一级开始计算，直到福射信号到达天线 处。
[0029] 其中，Ti、ei和Tbw分别为第i级福射源的物理溫度、发射率和福射亮溫，Tb(W)为反 射方向上第i+1级福射源的福射亮溫。
[0030] 如上可知，通过使用本发明所提供的快速射线追踪方法，能够实现对复杂目标场 景中毫米波福射信号传输路径的快速、准确模拟，为场景福射亮溫及福射特性数据高效准 确地提供求解和分析的方法。
【附图说明】
[0031 ]图I为基于快速射线追踪的毫米波福射亮溫计算方法的流程示意图；
[0032] 图2为基于实孔径福射计扫描成像机制的扫描示意图，对视场范围进行等角度间 隔离散化，建立成像平面，由像素点和观测点确定扫描射线，与场景目标进行线面求交运 算；
[0033] 图3为判断面元自身遮挡示意图，利用面元法向量;;与入射向量之间的方向夹 角关系，对目标自身遮挡情况进行判断；（a)为可见面元的面元法向量与入射向量夹角关系 示意图，（b)为不可见面元的面元法向量与入射向量夹角关系示意图；
[0034] 图4为测试平面与=角面元位置关系示意图，如果=角面元与第一测试平面1和第 二测试平面2都不相交，则可W判断该射线与面元必不相交，如图中的面元5;如果面元仅与 其中一个平面相交，则该面元与射线也不相交，如面元2和面元4;如果面元与两个平面都相 交，则可W判定射线可能与该=角面元相交，如面元1和面元3;
[0035] 图5为S角面元平移变换过程示意图，其中Vo、Vi、V2为S角面元的顶点坐标，1=[- D，Vi-Vo，V2-V0]为坐标变换矩阵；（a)为原始坐标系中面元与射线位置关系示意图，（b)为对 原始坐标进行平移变换后面元与射线位置关系示意图；
[0036] 图6为沿福射信号传输路径递归计算亮溫示意图，图中观测点处接收到的亮溫值 等于当前面元自身福射与反射方向上的福射值之和；
[0037] 图7为本发明实施例的目标几何模型与微面元模型图；（a)为目标几何模型，（b)为 目标微面元模型；
[0038] 图8为本发明实施例的场景亮溫分布仿真结果图。
【具体实施方式】
[0039] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，W下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并 不用于限定本发明。
[0040] 实施例:实现平静海面舰船目标场景的毫米波福射图像模拟。
[0041 ]本发明实施例中的基于快速射线追踪的毫米波福射亮溫计算方法的流程示意图， 如图1所示，本发明实施例中的基于快速射线追踪的毫米波福射亮溫计算方法主要包括下 述的步骤：
[0042] 步骤1，建立复杂立体结构目标几何模型，并通过网格剖分建立立体目标微面元模 型，如图7所示；
[0043] 较佳的，为使微面元模型能够准确表达目标的结构特征，应使面元剖分足够细，本 例中微面元数目为13608,节点数目为6806;面元节点信息和节点信息分别W面元表和节点 表的形式导入，目标微面元模型可表示为：
[0044] M={N,F}
[0045] 其中，N={m:l《i《CN}是节点表，Cn是节点总数;在直角坐标系中，m=(xi，yi， Zi)，表示微面元模型中的第i各顶点，xi、yi和Zi分别表示节点在直角坐标系中的S维坐标； F = {f j: 1《j《Cf}是面元表，Cf是面元总数;面元f j = (nvi，nv2，nv3)为S角微面元顶点的序 号；
[0046] 步骤21，设定仿真视场范围Hscan二20% Vscan二20%观测俯仰角-30° (俯视），观测方 位角140° (与X轴夹角），观测距离1km;将Hscan与VscanWO.01°角度间隔进行离散化，得到横向 扫描序列出can=化1，h2，? ? ?，h200〇}及纵向扫描序列Vscan= { Vl，V2，? ? ?，V200〇}，建立二维成像平 面P={pi,j: l《i《2000，l《 j《2000}，如图2所示，其中像素点坐标PiJ =化i，vj};
[0047]步骤22,将目标坐标系进行坐标旋转，将观测点旋转至X轴正半轴，坐标为(D，0, 0)，其中D为观测距离，旋转矩阵R可表示为：
[004引
[0049] 其中，曰、盼别为观测俯仰角和方位角，由此像素点几何坐标可表示为Pij= {〇,的tan(hi)， D*tan(Vj)/cos化i)}，得到原始坐标系下扫描射线向量
；
[0050] 步骤31，利用微面元外法线方向与扫描射线的夹角关系，剔除被目标自身遮挡的 部分面元，如图3所示；任一微面元f j外法线方向向量由对应顶点nvi、nv2、nv3通过
确定，^与射线户^"7夹角可通过如下表达^^
计算得出，若cos0<〇,则0〉9〇°该面元可见，反之该面元不可见;对面元表F中各面元逐一判 定，取得候选面元表Flistl;
[0051] 步骤32,运用射线与=角面元快速剔除算法，建立相交于射线处的两个测试平面， 快速剔除与射线不相交的面元，如图4所示;第一测试平面1法向量由射线与原点到观 测点P的连线^确定，恥
，第二测试平面2法向量由射线,与第一测试 平面1法向量确定，即》^二7?:。^^?;^;面元节点与平面位置关系，可由节点到平面距离确 定，具体实现包括：首先，计算候选面元表Fiisti中各节点到第一测试平面1距离
由于只需判断dti正负，计算过程中可忽略分母;其次，逐一遍历面元表， 判断S角曲元各节点到第一测试平面1距离的正负，若3个节点全为正或全为负，则判定该 面元不可见，取得候选面元表Flist2 ;最后，遍历候选面元表Flist2，判断候选面元表Flist2中各 节点到第二测试平面2距离，取得候选面元表Fiist3。
[0052] 步骤33,运用射线与=角形快速求巧方法，确定扫描射线与目标面元的交点P(i， j)，如图5所示;首先，定义射结
0为射线起点，单位向量D为射线方向向量， ^角面上任一点可定义为T(u，v) = (I-U-V)V〇+uVl+vV2,（11，￥)是^角形相对坐标，满足 0，v>0，u+v《l，则射线与S角面元交点可定义为0+tD= (l-u-v)V〇+uVi+vV2,其次，令Ei = V广Vo，E2 = V2-Vo，T = O-Vo，利用线性代数相关的知识，该式可表示如下：
[0化3]
[0化4]解得该方程即可求得交点1'(11,￥) = (1-11-￥)￥〇+11￥1+￥￥2，满足11>0，￥>0，11+￥《1; 然后，对候选面元表Flist3逐一求解，若不存在交点，则判断该面元不可见，若存在一个或多 个交点，则取距离观测点最近的交点P(i，j)所在面元作为反射面元fNext。若交点存在，根据 菲涅尔反射定理，确定福射信号反射路径，递归调用W上求交过程;若交点不存在，则判断 反射背景；
[0055] 步骤4,基于微面元福射模型，根据福射信号传输路径，根据毫米波福射公式Tb(I) = Tiei巧B(i+i)(l-ei)，当前面元亮溫等于面元自身福射与反射方向上福射亮溫之和，如图6 所示。计算福射计处接收亮溫时，应当沿着福射信号传输路径，从福射源最后一级开始，反 向计算递归计算传输路径结束。
[0056] 其中，Ti、ei和Tbw分别为第i级福射源的物理溫度、发射率和福射亮溫，Tb(W)为反 射方向上第i+1级福射源的福射亮溫。
[0057] 经过上述步骤，得到场景亮溫分布仿真结果，如图8所示。
[0058] 本领域的技术人员容易理解，W上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用W 限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含 在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种基于快速射线追踪的毫米波辐射亮温获取方法，其特征在于，包括下述步骤： S1:获得待测场景中立体目标表面微面元； S2:根据所述待测场景设置的视场范围和扫描角度间隔建立成像平面，根据位于所述 成像平面上的像素点坐标与仿真中接收场景辐射信号天线的位置获得扫描射线，依次 遍历各像素点，获得多个观测方向上的扫描射线;其中，所述成像平面为视场范围按所述扫 描角度间隔离散化后的结果； S3:根据所述微面元和所述扫描射线并采用射线追踪算法获得辐射信号传输路径； S4:根据目标毫米波发射率和所述辐射信号传输路径，获得不同观测方向上到达所述 天线处的毫米波辐射亮温。2. 如权利要求1所述的毫米波辐射亮温获取方法，其特征在于，步骤S3具体为： S31:判断第a个观测方向上的扫描射线^_与所述微面元是否有交点，若是，则获得辐 射信号当前反射路径，存入当前反射路径traceb#，并进入步骤S32;若否，则所述扫描射线 为反射背景，并进入步骤S34; S32:判断当前反射路径与所述微面元是否有交点，若是，则进入步骤S33,若否，则当前 反射路径为反射背景，并进入步骤S34; S33:获得下一个反射路径，存入反射路径traCeb=b+1，并转入步骤S32; S34:由已存入反射路径TRACEa= {tracei: Ki彡Μ得到所述观测方向上福射信号的传 输路径，a = a+l，返回至步骤S31;其中a为各观测方向序号，1彡a彡PC，PC为成像平面上像素 点数目。3. 如权利要求2所述的毫米波辐射亮温获取方法，其特征在于，通过扫描射线与平面的 求交运算来确定射线与所述微面元的交点P(i，j);通过菲涅尔反射定理来确定福射信号的 当前反射路径。4. 如权利要求2-3任一项所述的毫米波辐射亮温获取方法，其特征在于，通过建立目标 包围盒以减少线面求交次数，具体包括:将节点表进行坐标旋转后投影到成像平面，即F'= F*R，通过F'的y坐标及z坐标分布区间确定包围盒投影范围，对投影范围外的像素点可直接 判断为背景，不必与目标面元进行线面求交运算。5. 如权利要求2-4任一项所述的毫米波辐射亮温获取方法，其特征在于，利用微面元外 法线方向与扫描射线的夹角关系，剔除被目标自身遮挡的部分面元； 其中，任一微面元fj外法线方向向量由对应顶点n v 1、n v 2、n v 3通过?确定，?与射线夹角可通过如下表达另计算得出，若cos0〈〇,则θ>90°该面元可见，反之该面元不可见;对面元表F中各面元逐一判 定，取得候选面元表Fiisti。6. 如权利要求2-5任一项所述的毫米波辐射亮温获取方法，其特征在于，利用一种用于 光线与三角形网格求交运算的剔除算法，加快毫米波辐射射线与目标面元簇的求交过程。7. 如权利要求6所述的毫米波辐射亮温获取方法，其特征在于，将一条射线定义为两个 非平行平面的交线，通过三角形和测试平面的相交判断，快速剔除与射线不相交的目标面 元； 其中第一测试平面法向量由射线与原点到观测点P的连线#确定，即 ^ = 第二测试平面法向量由射线与第一测试平面法向量确定，即 f =?ν_ xf ;面元节点与平面位置关系由节点到平面距离确定。8.如权利要求1所述的毫米波辐射亮温获取方法，其特征在于，在步骤S4中，根据公式 TB(i) = Tiei+TB(i+i)(l_ei)沿福射信号传输路径从福射源最后一级开始计算，直到福射信号 到达天线处； 其中，Ti、ei和TB⑴分别为第i级辐射源的物理温度、发射率和辐射亮温，TB(i+1)为反射方 向上第i+1级辐射源的辐射亮温。
【文档编号】G01J5/00GK105953925SQ201610389758
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年6月3日
【发明人】胡飞, 郎量, 贺锋, 程亚运, 戚博, 刘斯远, 何小琴
【申请人】华中科技大学