量决定，其定义方法与一级面片坐标 系相似：
[0078]
[0079] 其中，下标n代表二级面片局部坐标系，弋代表二级面片的法向单位矢量，利用式 (15)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：
[0080]
[0081] 根据式（16)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：
[0082]
[0083] 其弓
[0084] ③相位补偿与散射场相干叠加。
[0085] 在一级面片面片局部坐标系下计算出散射场，再根据一级面片坐标系的定义，通 过坐标变换将散射场转换至全局坐标系中，然后，再根据每个一级面片外心（对应于一级 面片坐标系中的原点）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在当前入射、观测角度、频点条件下的总散射场。
[0086] 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。
[0087] 图5至图7展示了利用本发明进行粗糙目标散射场计算以及利用计算结果对不同 粗糙度电大尺寸立方体的成像结果。
[0088] 图5展示了利用全波法（FWA)和弹跳射线法（SBR)对同一粗糙面片在四种极化条 件下计算RCS值的对比图，可以看出，对比本发明采用的全波方法与经典的弹跳射线法，在 同极化下计算结果较交叉极化时吻合更好。对比HH极化和VV极化计算结果，可以看出在 入射角小于50°时，结果吻合度很高，而对于掠入射情况，结果存在一定偏差。这是由计算 效率与计算精度间存在的固有矛盾所导致的。
[0089] 由图6与图7的成像结果可以看出，本发明方法计算所得的散射场能够支持合成 孔径成像研宄。且从图中可以看出，不同的粗糙参数，不同的极化状态都会对目标图像产生 不同的额影响，这为进行目标表面粗糙参数反演以及目标识别研宄提供了技术支撑。
【主权项】
1. 一种太赫兹频段表面粗糙目标电磁散射的快速计算方法，其特征在于，包括以下步 骤： 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； 第二步，基于两级面片剖分的半确定性目标几何建模； 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； 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； 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；一级面片坐标系的定义如下：其中，毛为目标坐标系X轴正向单位矢量，/i为一级面片法向单位矢量； 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； 第三步，基于全波理论的散射场快速计算； ①一级面片坐标系中粗糙面散射场计算 根据全波理论，粗糙面散射场可表示为：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(/?)、左分别代表入 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F'分别代表场 点与场源的位置矢量，为自由空间波数，c/p)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：其中，上标H与V分别代表水平极化与垂直极化； 式（2)中散射系数矩阵F的定义如下：其中，.IV、r^、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：Cf(1)、Cf(1)、分别代表入射与散射角的余弦与正弦，上标0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 cos(y,;-戎)、-戎)分别代表入射与散射平面间夹角的余弦与正弦； 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：其中，下标n代表二级面片局部坐标系，元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：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：其中，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； 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。2. 根据权利要求1所述的太赫兹频段表面粗糙目标电磁散射的快速计算方法，其特征 在于：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。3. 根据权利要求1所述的太赫兹频段表面粗糙目标电磁散射的快速计算方法，其特征 在于：在第二步的"第一级面片建模"中，为使一级面片满足宏观小围观大的要求，选取进行 目标剖分所用的三角面片边长远大于A/8。4. 根据权利要求3所述的太赫兹频段表面粗糙目标电磁散射的快速计算方法，其特征 在于：在第二步的"第一级面片建模"中，为使一级面片满足宏观小围观大的要求，选取进行 目标剖分所用的三角面片边长为50~100入。5. 根据权利要求1所述的太赫兹频段表面粗糙目标电磁散射的快速计算方法，其特征 在于：在第二步的"第二级面片建模"中，二级面片采用谱域滤波的方法实现，其建模过程可 表示如下：其中，，S(kx，ky)为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态独立同分布的二维随机过程，FT(Randn(x，y))为其傅里叶变换； 使用的粗糙面谱函数是高斯谱函数，其表达式如下：可以看出，二维高斯粗糙面的统计参数由〇，lx，ly构成，它们分别代表粗糙起伏均方 根高度，x方向相关长度，y方向相关长度。
【专利摘要】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。
【IPC分类】G06F17/50
【公开号】CN104992035
【申请号】CN201510449832
【发明人】王宏强, 秦玉亮, 邓彬, 高敬坤, 王瑞君, 黎湘
【申请人】中国人民解放军国防科学技术大学
【公开日】2015年10月21日
【申请日】2015年7月28日