基于lcim算法的三维模型微波光子回波成像方法
阅读说明：本技术 基于lcim算法的三维模型微波光子回波成像方法 (Three-dimensional model microwave photon echo imaging method based on LCIM algorithm ) 是由 邢孟道 吴之鑫 高悦欣 于 2021-08-18 设计创作，主要内容包括：本发明提供的一种基于LCIM算法的三维模型微波光子回波成像方法,通过述目标几何形状的低精度模型再进行细剖分,获取高精度模型；基于高精度模型的坐标系,构建观测目标的多角度转台模型的坐标系,根据坐标系之间的基变换关系,确定高精度模型在自身坐标系下的多个雷达波入射方向。将发射信号按照入射方向照射在目标三角面元上,计算不再转射的目标三角面元的散射回波信号再进行矢量累计,获得整个目标的回波信号,再对目标全极化的二维ISAR图像进行成像。本发明可实现跨频段、大转角条件下目标的全极化散射回波计算,提高仿真目标散射回波二维图像质量,使其能够表征目标电磁散射特性的同时能准确反映目标几何结构。(The invention provides a three-dimensional model microwave photon echo imaging method based on LCIM algorithm, which comprises the steps of subdividing a low-precision model of a target geometric shape to obtain a high-precision model; and constructing a coordinate system of the multi-angle rotary table model of the observation target based on the coordinate system of the high-precision model, and determining a plurality of radar wave incidence directions of the high-precision model under the coordinate system of the high-precision model according to the basis transformation relation between the coordinate systems. The method comprises the steps of irradiating a transmitting signal on a target triangular surface element according to an incident direction, calculating a scattering echo signal of the target triangular surface element which is not reflected any more, carrying out vector accumulation to obtain an echo signal of the whole target, and imaging a fully polarized two-dimensional ISAR image of the target. The invention can realize the calculation of the total polarization scattering echo of the target under the conditions of cross-frequency band and large rotation angle, improve the quality of the two-dimensional image of the scattering echo of the simulated target, and ensure that the geometric structure of the target can be accurately reflected while representing the electromagnetic scattering characteristic of the target.)
技术领域
本发明属于雷达ISAR成像技术领域，具体涉及一种基于LCIM算法的 三维模型微波光子回波成像方法。
背景技术
微波光子雷达具备收发和处理跨谱段大带宽信号的能力，但实测回波 数据的获取成本高、条件受限，同时目标运动轨迹不可预见，难以获得理 想观察角度的回波数据。根据微波光子雷达系统设置参数，利用计算机仿 真得到目标任意观测角度的全极化ISAR回波，再对回波数据进行处理就能 得到目标任意观测角度、频段的ISAR图像，为基于回波数据的目标电磁特 性预估、目标识别、基于图像序列的三维重构等研究提供技术支撑。
常用回波仿真方法包括基于物理光学、弹跳射线算法、散射点模型和 电磁散射模型。基于物理光学或弹跳射线算法得到的目标回波数据，成像 处理后的二维ISAR图像难以准确反映目标表面结构信息。散射点模型方法 简便、实现快捷，但局限于传统雷达的小带宽、小转角情况，对于发射大 带宽、跨频段信号的微波光子雷达，散射点模型无法准确描述目标电磁散 射特性。电磁散射模型基于远场条件模拟雷达信号照射目标，通过计算机 仿真得到远场回波数据。对于空间ISAR目标，目标尺寸大，通常采用大面 元构建目标几何模型，面元之间的遮挡判断误差使得电磁计算结果存在误 差，导致成像时引入错误的散射点。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于LCIM 算法的三维模型微波光子回波成像方法。本发明要解决的技术问题通过以 下技术方案实现：
本发明提供的一种基于LCIM算法的三维模型微波光子回波成像方法， 包括：
步骤1：根据已获取的目标三维数据，构建描述目标几何形状的低精度 模型；
其中，低精度模型包括多个面，每个面由多个三角面元拼接构成；
步骤2：对低精度模型进行细剖分，以使细剖分之后的低精度模型中三 角面元的尺寸与微波光子雷达系统参数的理论距离分辨率成正相关，获得 高精度模型；
步骤3：基于高精度模型的坐标系，构建观测目标的多角度转台模型的 坐标系；
其中，高精度模型中每个面由多个目标三角面元构成；
步骤4：基于多角度转台模型的坐标系与高精度模型的坐标系的基变换 关系，确定高精度模型在自身坐标系下的多个雷达波入射方向；
步骤5：针对每个雷达波入射方向，确定该入射方向上的发射信号；
步骤6：将发射信号按照入射方向照射在高精度模型中的目标三角面元 上，判断该目标三角面元是否存在多次转射以及遮挡，如果存在转射，确 定不再转射的目标三角面元，如果不存在多次转射，则该目标三角面元为 不再转射的目标三角面元；
步骤7：根据不再转射的目标三角面元的出射电场强度以及方向，计算 不再转射的目标三角面元的散射回波信号；
步骤8：将不再转射的目标三角面元的散射回波信号的矢量累计，获得 整个目标的回波信号；
步骤9：基于整个目标的回波信号，对目标全极化的二维ISAR图像进行 成像。
可选的，低精度模型表示为：
vertex＝[P1 P2 … Pm]T
其中，n为模型中三角面元数量，m为模型中顶点数量，facei表示第i个 三角面元，为第i个三角面元的单位法向量，分别为第i个三角 面元顶点的坐标编号，vertex＝[P1 P2 … Pm]T为模型中所有顶点的三维坐标。
可选的，步骤2包括：
步骤21：计算微波光子雷达系统参数的理论距离分辨率；
步骤22：根据距离分辨率的理论计算值，确定划分每个三角面元的点 云间隔；
其中，点云间隔包括三角面元上每个边的点云间隔；
步骤23：将除最长边外的两个边的点云间隔以网格线方式进行划分， 将每个面元内两条网格线相交处的点、每个网格线与边相交的点以及最长 边点云间隔划分的点确定为点云，获得每个三角面元的点云集合；
步骤24：利用Delaunay算法，将每个三角面元的点云集合转化为三角面 网格，获得细剖之后的目标三角面元以及目标三角面元的法向量；
步骤25：对目标三角面元的法向量进行修正，以使目标三角面元的法 向量与低精度模型的三角面元的法向量相同；
步骤26：将每个目标三角面元构成的模型确定为高精度模型。
4.根据权利要求3的三维模型微波光子回波成像方法，其特征在于，步 骤23包括：
步骤a：在每个低精度模型的每个三角面元中确定三个边的边长；
步骤b：针对每个三角面元，以除最长边外的两个边的共同顶点作为第 一起点，沿两个边的方向矢量依次确定网格线的第二起点，将该第二起点 作为每个网格线与边相交的点；
步骤c：针对除最长边外的每个边，以第二起点开始沿除自身边的另一 条边的方向画线，获得每个边相交的多条网格线；
步骤d：将每个面元内两条网格线相交处的点、每个网格线与边相交的 点以及最长边上以点云间隔划分的点确定为点云，获得每个三角面元的点 云集合。
可选的，步骤3包括：
步骤31：确定观测目标的初始观测角度；
其中，初始观测角度包括观测目标所用的俯仰角与方位角；
步骤32：根据俯仰角与方位角确定入射方向矢量；
步骤33：将入射方向矢量的反方向确定为构建多角度转台模型坐标系 的X′轴；
步骤34：在高精度模型的坐标系下的XOY平面内，将方位角逆时针旋 转90度的出射方向确定为构建多角度转台模型坐标系的Y′轴；
步骤35：使用右手螺旋定则，确定构建多角度转台模型坐标系的Z′轴， 获得构建多角度转台模型的坐标系。
可选的，步骤4包括：
步骤41：确定高精度模型的坐标系与构建多角度转台模型坐标系之间 的基变换关系；
步骤42：在多角度转台模型坐标系中确定成像转角；
步骤43：根据基变换关系以及成像转角，确定高精度模型在自身坐标 系下的多个雷达波入射方向。
其中，入射方向矢量表示为：
[-cosφ -sinφ 0]
多角度转台模型坐标系表示为：
基变换关系表示为：
雷达波入射方向表示为：
发射信号表示为：
其中，θ′、分别为高精度模型的坐标系中观察目标的初始俯仰角和 初始方位角，X、Y、Z分别表示高精度模型的坐标系的方向轴，φ表示转台 模型坐标系中的成像转角，为雷达波水平极化分量，为雷达波垂直极 化分量，为入射波矢量，kn＝2πfn/c为不同频率对应的自由空间波 数，为空间中某点的位置矢量，表示入射面元入射方向的单位矢量，
可选的，步骤6包括：
步骤61：将发射信号按照入射方向照射在高精度模型中的目标三角面 元上，判断出射方向上是否存在与该目标三角面元相交的转射面元，如果 存在，则该目标三角面元存在多次转射；
步骤62：针对存在多次转射的目标三角面元，在入射方向上判断是否 存在与该目标三角面元投影重叠的遮挡面元，如果存在遮挡面元，则根据 遮挡面元在该目标三角面元上的投影确定该目标三角面元的未遮挡区域， 如果不存在遮挡面元，则按照转射原理确定不再转射的目标三角面元；
步骤63：当未遮挡区域为三角形时，以该未遮挡区域为起始面元，按 照转射原理确定不再转射的目标三角面元；
步骤64：当未遮挡区域为多边形时，将未遮挡区域划分为多个三角面 元，以该三角面元为起始面元，按照转射原理确定不再转射的目标三角面 元。
可选的，步骤7包括：
步骤71：对每个目标面元随机生成法向调节因子；
步骤72：根据不再转射的目标三角面元的出射电场强度以及方向，使 用远程积分公式并引入自身的法向调节因子，计算不再转射的目标三角面 元的散射回波信号；
远程积分公式表示为：
其中，rs为出射面的局部矢量，veck为雷达回波接收方向，即与雷达波 入射方向相反的方向矢量，相位积分部分通过Gordon积分计算，Aθ与分 别表示远场回波的平行极化分量与垂直极化分量；Bθ与根据电、磁场强 度及出射面元法向计算，k0表示自由空间波数，表示目标三角面元上某个 点的坐标矢量，表示出射方向单位矢量，dxsdys为对rs的二维积分，E、H 分别表示模型面元上的电场与磁场；P与T分别为平行极化方向与垂直极化 方向的单位矢量；表示出射目标三角面元的法向量，为引入面 元法相调节因子后的面元法向量，Δn为法向调节因子。
可选的，判断出射方向上是否存在与该目标三角面元相交的转射面元 包括：
根据雷达出射方向矢量，在高精度模型的坐标系下确定第一坐标变换 矩阵；
将每个目标三角面元所在的平面坐标系作为射线局部坐标系；
基于第一坐标变换矩阵，确定高精度模型的坐标系与射线局部坐标系 的第一变换关系；
根据射线局部坐标系中点线面关系以及第一变换关系，建立目标三角 面元的第一变量表达式；
对第一变量表达式进行求解，获得射线局部坐标系下的横轴变量以及 纵轴变量；
当横轴变量、纵轴变量、横轴变量与纵轴变量之和满足不大于1小于0， 则确定在出射方向上存在与目标三角面元相交的转射面元；
针对存在多次转射的目标三角面元，在入射方向上判断是否存在与该 目标三角面元投影重叠的遮挡面元包括：
根据雷达入射方向矢量，在高精度模型的坐标系下确定第二坐标变换 矩阵；
基于第二坐标变换矩阵，确定高精度模型的坐标系与射线局部坐标系 的第二变换关系；
根据射线局部坐标系中点线面关系以及第二变换关系，建立目标三角 面元的第二变量表达式；
对第二变量表达式进行求解，获得射线局部坐标系下的横轴变量以及 纵轴变量；
当横轴变量、纵轴变量、横轴变量与纵轴变量之和满足不大于1小于0， 则确定在入射方向上存在与目标三角面元投影重叠的遮挡面元。
本发明提供的一种基于LCIM算法的三维模型微波光子回波成像方法， 通过述目标几何形状的低精度模型再进行细剖分，获取高精度模型；基于 高精度模型的坐标系，构建观测目标的多角度转台模型的坐标系，根据坐 标系之间的基变换关系，确定高精度模型在自身坐标系下的多个雷达波入 射方向。将发射信号按照入射方向照射在目标三角面元上，计算不再转射 的目标三角面元的散射回波信号再进行矢量累计，获得整个目标的回波信 号，再对目标全极化的二维ISAR图像进行成像。本发明可实现跨频段、大 转角条件下目标的全极化散射回波计算，提高仿真目标散射回波二维图像 质量，使其能够表征目标电磁散射特性的同时能准确反映目标几何结构。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于LCIM算法的三维模型微波光子 回波成像方法的流程示意图；
图2是本发明实施例提供的多精度模型示意图；
图3是本发明实施例提供的不同入射方向表达式的成像平面示意图；
图4是本发明实施例提供的生成初始面元的示意图；
图5是本发明实施例提供的二面角模型示意图；
图6是本发明实施例提供的不同计算方法下二面角模型的结果图；
图7是本发明实施例提供的不同方法的仿真成像结果图；
图8是本发明实施例提供的不同极化方式的仿真成像结果图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施 方式不限于此。
如图1所示，本发明提供的一种基于LCIM算法的三维模型微波光子回 波成像方法包括：
步骤1：根据已获取的目标三维数据，构建描述目标几何形状的低精度 模型；其中，低精度模型包括多个面，每个面由多个三角面元拼接构成； 低精度模型表示为：
vertex＝[P1 P2 ··· Pm]T
其中，n为模型中三角面元数量，m为模型中顶点数量，facei表示第i个 三角面元，为第i个三角面元的单位法向量，分别为第i个三角 面元顶点的坐标编号，vertex＝[P1 P2 ··· Pm]T为模型中所有顶点的三维坐标。
参考图2，图2是本发明实施例提供的卫星模型的多精度目标模型示意 图，图2中左侧子图为低精度模型示意图，模型由84个三角面构成。卫星主 体为边长0.8m的立方体结构。连接结构为长0.2m，宽0.1m，高0.2m的长方 体结构，太阳能电池板为长0.9m，宽0.1m，高0.8m的长方体结构。
步骤2：对低精度模型进行细剖分，以使细剖分之后的低精度模型中三 角面元的尺寸与微波光子雷达系统参数的理论距离分辨率成正相关，获得 高精度模型；
步骤3：基于高精度模型的坐标系，构建观测目标的多角度转台模型的 坐标系；
其中，高精度模型中每个面由多个目标三角面元构成；
步骤4：基于多角度转台模型的坐标系与高精度模型的坐标系的基变换 关系，确定高精度模型在自身坐标系下的多个雷达波入射方向；
步骤5：针对每个雷达波入射方向，确定该入射方向上的发射信号；
步骤6：将发射信号按照入射方向照射在高精度模型中的目标三角面元 上，判断该目标三角面元是否存在多次转射以及遮挡，如果存在转射，确 定不再转射的目标三角面元，如果不存在多次转射，则该目标三角面元为 不再转射的目标三角面元；
步骤7：根据不再转射的目标三角面元的出射电场强度以及方向，计算 不再转射的目标三角面元的散射回波信号；
步骤8：将不再转射的目标三角面元的散射回波信号的矢量累计，获得 整个目标的回波信号；
步骤9：基于整个目标的回波信号，对目标全极化的二维ISAR图像进行 成像。
本发明提供的一种基于LCIM算法的三维模型微波光子回波成像方法， 通过述目标几何形状的低精度模型再进行细剖分，获取高精度模型；基于 高精度模型的坐标系，构建观测目标的多角度转台模型的坐标系，根据坐 标系之间的基变换关系，确定高精度模型在自身坐标系下的多个雷达波入 射方向。将发射信号按照入射方向照射在目标三角面元上，计算不再转射 的目标三角面元的散射回波信号再进行矢量累计，获得整个目标的回波信 号，再对目标全极化的二维ISAR图像进行成像。本发明可实现跨频段、大 转角条件下目标的全极化散射回波计算，提高仿真目标散射回波二维图像 质量，使其能够表征目标电磁散射特性的同时能准确反映目标几何结构。
作为本发明一种可选的实施方式，步骤2包括：
步骤21：计算微波光子雷达系统参数的理论距离分辨率；
本步骤可以采用公式计算理论距离分辨率。ρr表示雷达成像距 离分辨率，c表示真空中光速，B表示微波光子雷达系统的理论带宽。
步骤22：根据距离分辨率的理论计算值，确定划分每个三角面元的点 云间隔；
其中，点云间隔包括三角面元上每个边的点云间隔；第i个三角面元上 第j条边上的点云间隔为 表示对a向上取整，表示第i 个三角面元上第j条边上的点云间隔。为第i个三角面元上第j条边的长度。 N为面元尺寸系数，通常取值在0.5-2之间，ρr表示距离分辨率的理论计算 值。
步骤23：将除最长边外的两个边的点云间隔以网格线方式进行划分， 将每个面元内两条网格线相交处的点、每个网格线与边相交的点以及最长 边点云间隔划分的点确定为点云，获得每个三角面元的点云集合；
步骤24：利用Delaunay算法，将每个三角面元的点云集合转化为三角面 网格，获得细剖之后的目标三角面元以及目标三角面元的法向量；
步骤25：对目标三角面元的法向量进行修正，以使目标三角面元的法 向量与低精度模型的三角面元的法向量相同；
步骤26：将每个目标三角面元构成的模型确定为高精度模型。
可以理解，对低精度模型中每个面元根据各边间隔di j确定三角面元上 细剖分处理的点云，利用Delaunay算法将点云转化为三角面网格。以低精度 目标模型面元的法向量信息约束三角面网格，修正三角面网格外法向量方 向，即三角面网格外法向量与低精度模型中面元外法向量一致，最终得到 高精度模型。
作为本发明一种可选的实施方式，步骤23包括：
步骤a：在每个低精度模型的每个三角面元中确定三个边的边长；
步骤b：针对每个三角面元，以除最长边外的两个边的共同顶点作为第 一起点，沿两个边的方向矢量依次确定网格线的第二起点，将该第二起点 作为每个网格线与边相交的点；
步骤c：针对除最长边外的每个边，以第二起点开始沿除自身边的另一 条边的方向画线，获得每个边相交的多条网格线；
步骤d：将每个面元内两条网格线相交处的点、每个网格线与边相交的 点以及最长边上以点云间隔划分的点确定为点云，获得每个三角面元的点 云集合。
在获得点云集合的过程中，对于第i个三角面元ABC，分别计算三个边 的长度及对应的间隔假设对应三角面ABC的边AB，对应三 角面ABC的边AC，对应三角面ABC的边BC,BC为三角面ABC最长边。 选取较短两个边AC、BC的共同顶点A，以A点为起点，AB、AC为方向矢 量确定边AB、AC以及三角面ABC内的点云：
其中，变量m、n需满足条件m+n<1，不满足此条件的点云应舍去。
以三角面ABC上点B为起点，为方向矢量确定边BC上点云：
在得到第i个三角面元ABC上点云，利用Delaunay算法将点云转换为三 角面网格。以第i个三角面元外法向量为约束，修正三角面网格法向量方 向。修正目的为使得目标三角面元的法向量与低精度模型的三角面元的法 向量相同；为将细剖分后的三角面网格顶点及面元信息载入高精度模型中， 同时更新三角面元顶点的坐标编号及顶点的三维坐标，对每一个三角面元 都可以执行上述过程直至遍历所有面元。
参见图2，图2中右侧子图是由上述步骤按照带宽6GHz，N＝1进行细剖 分得到高精度目标模型示意图，其中模型中某一个面元按照带宽6GHz， N＝0.5进行细剖分。
作为本发明一种可选的实施方式，步骤3包括：
步骤31：确定观测目标的初始观测角度；
其中，初始观测角度包括观测目标所用的俯仰角与方位角；
步骤32：根据俯仰角与方位角确定入射方向矢量；
步骤33：将入射方向矢量的反方向确定为构建多角度转台模型坐标系 的X′轴；
步骤34：在高精度模型的坐标系下的XOY平面内，将方位角逆时针旋 转90度的出射方向确定为构建多角度转台模型坐标系的Y′轴；
步骤35：使用右手螺旋定则，确定构建多角度转台模型坐标系的Z′轴， 获得构建多角度转台模型的坐标系。
其中，传统入射方向矢量表示为：
将初始观测角度代入上式，根据右手螺旋定则可以确定多角度转台模 型坐标系表示为：
选取成像转角φ，获取多角度转台模型中雷达波入射方向矢量为：
[-cosφ -sinφ 0]
请参见图3，图3是本发明实施例提供的不同入射方向表达式的成像平 面示意图。当传统方向矢量表达式作为雷达波入射方向矢量时雷达相对于 目标的成像面弯曲，不利于快速成像处理。如图3中子图a所示，取俯仰角 为60°，方位角变化为0～90°，即成像中心角度为俯仰角为60°、方位角45°， 传统方向矢量构建的成像面，从图中可以看出成像面弯曲。图3中子图b是 取成像中心角度为俯仰角为60°、方位角45°，成像转角±45°，以式高精度模 型坐标系的雷达波入射方向构建的成像面。从图3对比中可以看出，本实施 例提出的改进的雷达波入射方向矢量表达式构建的成像面不会弯曲，可以 构建任意观察角度下的转台模型。
作为本发明一种可选的实施方式，步骤4包括：
步骤41：确定高精度模型的坐标系与构建多角度转台模型坐标系之间 的基变换关系；
步骤42：在多角度转台模型坐标系中确定成像转角；
步骤43：根据基变换关系以及成像转角，确定高精度模型在自身坐标 系下的多个雷达波入射方向。
基变换关系表示为：
雷达波入射方向表示为：
作为本发明一种可选的实施方式，步骤7包括：
步骤71：对每个目标面元随机生成法向调节因子；
步骤72：根据不再转射的目标三角面元的出射电场强度以及方向，使 用远程积分公式并引入自身的法向调节因子，计算不再转射的目标三角面 元的散射回波信号；
远程积分公式表示为：
其中，rs为出射面的局部矢量，veck为雷达回波接收方向，即与雷达波 入射方向相反的方向矢量，相位积分部分通过Gordon积分计算，Aθ与分 别表示远场回波的平行极化分量与垂直极化分量；Bθ与根据电、磁场强 度及出射面元法向计算，k0表示自由空间波数，表示目标三角面元上某个 点的坐标矢量，表示出射方向单位矢量，rs为模型出射面元上面元局部坐 标系(第三坐标系)的二维矢量，dxsdys为对rs的二维积分，E、H分别表示模型面元上的电场与磁场；P与T分别为平行极化方向与垂直极化方向的 单位矢量；表示出射目标三角面元的法向量，表示入射面元入射方向的 单位矢量，θ′、分别为第一坐标系中观察目标的初始俯仰角与方位角，φ 为第二坐标系(转台模型坐标系)中的成像转角；为引入面元法 相调节因子后的面元法向量，Δn为法向调节因子，为保证法向调节因子不 影响目标的RCS特性，可选的，其数值通常控制在在10-3～10-2量级。
可以理解，当目标三角面元只有一次反射，即只有一次转射时，路径 上电场变化为：
式中，为射线路径起点的电场强度，表示射线 路径终点的电场强度，为射线路径造成的相位变化，(L1+L2)为射线 路径长度，表示雷达波发生反射前的电场强度，发生反射后的电 场强度。Γ⊥是雷达波垂直极化反射系数，Γ||为雷达波平行极化反射系数， 雷达波垂直极化方向单位矢量为入射雷达波波平行极化单 位矢量为出射雷达波平行极化单位矢量为
发射信号表示为：
其中，θ′表示俯仰角，表示方位角，X、Y、Z分别表示高精度模型 的坐标系的方向轴，φ表示成像转角，为雷达波水平极化分量，为雷 达波垂直极化分量，为入射波矢量，kn＝2πfn/c为不同频率对应的 自由空间波数，为空间中某点的位置矢量。
作为本发明一种可选的实施方式，步骤6包括：
步骤61：将发射信号按照入射方向照射在高精度模型中的目标三角面 元上，判断出射方向上是否存在与该目标三角面元相交的转射面元，如果 存在，则该目标三角面元存在多次转射；
步骤62：针对存在多次转射的目标三角面元，在入射方向上判断是否 存在与该目标三角面元投影重叠的遮挡面元，如果存在遮挡面元，则根据 遮挡面元在该目标三角面元上的投影确定该目标三角面元的未遮挡区域， 如果不存在遮挡面元，则按照转射原理确定不再转射的目标三角面元；
步骤63：当未遮挡区域为三角形时，以该未遮挡区域为起始面元，按 照转射原理确定不再转射的目标三角面元；
步骤64：当未遮挡区域为多边形时，将未遮挡区域划分为多个三角面 元，以该三角面元为起始面元，按照转射原理确定不再转射的目标三角面 元。
作为本发明一种可选的实施方式，判断出射方向上是否存在与该目标 三角面元相交的转射面元包括：
步骤a：根据雷达出射方向矢量，在高精度模型的坐标系下确定第一坐 标变换矩阵；
步骤b：将每个目标三角面元所在的平面坐标系作为射线局部坐标系；
步骤c：基于第一坐标变换矩阵，确定高精度模型的坐标系与射线局部 坐标系的第一变换关系；
步骤d：根据射线局部坐标系中点线面关系以及第一变换关系，建立目 标三角面元的第一变量表达式；
步骤e：对第一变量表达式进行求解，获得射线局部坐标系下的横轴变 量以及纵轴变量；
步骤f：当横轴变量、纵轴变量、横轴变量与纵轴变量之和满足不大于 1小于0，则确定在出射方向上存在与目标三角面元相交的转射面元。
其中，目标三角面元表达式克表示为：
A+(B-A)u+(C-A)v,(0≤u≤1,0≤v≤1,u+v≤1)
根据雷达出射方向矢量得到坐标变换矩阵F，高精度模型的坐标系与 面元的射线局部坐标系的变换关系如下式：
根据射线局部坐标系中点线面关系可建立等式：
F′·(O-A)＝u×[F′·(B-A)]+v×[F′·(C-A)]
式中F′＝[F1 F2]T，求解上式二元方程组得到射线局部坐标系的变量 u、v，依据目标三角面元的表达式中u、v的要求，便可判断相交及交点位置， 利用Z-Buffer原理确定遮挡相关信息。
针对存在多次转射的目标三角面元，在入射方向上判断是否存在与该 目标三角面元投影重叠的遮挡面元包括：
步骤a：根据雷达入射方向矢量，在高精度模型的坐标系下确定第二坐 标变换矩阵；
步骤b：基于第二坐标变换矩阵，确定高精度模型的坐标系与射线局部 坐标系的第二变换关系；
步骤c：根据射线局部坐标系中点线面关系以及第二变换关系，建立目 标三角面元的第二变量表达式；
步骤d：对第二变量表达式进行求解，获得射线局部坐标系下的横轴变 量以及纵轴变量；
步骤e：当横轴变量、纵轴变量、横轴变量与纵轴变量之和满足不大于 1小于0，则确定在入射方向上存在与目标三角面元投影重叠的遮挡面元。
本发明判断遮挡与判断多次转射的公式相同，不同在于判断是否存在 多次转射在出射方向上，而遮挡是在入射方向判断。使用公式判断过程不 再赘述。
请参见图4，图中结果为图2左侧子图所示低精度模型在雷达波入射方 向照射下不同方法生成的初始面结果。其中情况1为传统方法在模型坐标系 空间中构建的虚拟初始面，情况2为本实施例所提方法在目标模型表面生成 的初始可照射面。请参见表1，为图4中两种初始面结果的面元数量。从结 果可以看出，本实施例使用方法基于模型表面生成出射面，初始面元数量 少于传统方法。并且传统方法会生成赘余面元，同时后续步骤中赘余面元 顶点会照射到模型顶点或边缘，使面元的更新过程更加复杂。
表1初始面元对比
综上，本实施方式的基于LCIM算法的弹跳射线算法和法向调节因子的 散射回波计算方法。本实施例的方法首先获取目标低精度模型，再利用 Delaunay算法对模型细剖分，基于目标模型及初始观测角度建立转台模型， 确定雷达波入射方向单位矢量。同时为了使仿真数据的二维图像能准确反 映目标几何结构，引入面元法相因子，并提出基于LCIM算法的弹跳射线算 法使仿真数据能准确表征目标电磁散射特性。
作为本发明一种可选的实施方式，针对存在多次转射的目标三角面元， 在入射方向上判断是否存在与该目标三角面元投影重叠的遮挡面元包括：
根据雷达入射方向矢量，在高精度模型的坐标系下确定第二坐标变换 矩阵；
基于第二坐标变换矩阵，确定高精度模型的坐标系与射线局部坐标系 的第二变换关系；
根据射线局部坐标系中点线面关系以及第二变换关系，建立目标三角 面元的第二变量表达式；
对第二变量表达式进行求解，获得射线局部坐标系下的横轴变量以及 纵轴变量；
当横轴变量、纵轴变量、横轴变量与纵轴变量之和满足不大于1小于0， 则确定在入射方向上存在与目标三角面元投影重叠的遮挡面元。
作为本发明一种可选的实施方式，步骤7包括：
步骤71：对每个目标面元随机生成法向调节因子；
步骤72：根据不再转射的目标三角面元的出射电场强度以及方向，使 用远程积分公式并引入自身的法向调节因子，计算不再转射的目标三角面 元的散射回波信号；
远程积分公式表示为：
其中，rs为出射面的局部矢量，veck为雷达回波接收方向，即与雷达波 入射方向相反的方向矢量，相位积分部分通过Gordon积分计算，Aθ与分 别表示远场回波的平行极化分量与垂直极化分量；Bθ与根据电、磁场强 度及出射面元法向计算，k0表示自由空间波数，表示目标三角面元上某个 点的坐标矢量，表示出射方向单位矢量，rs为模型出射面元上面元局部坐 标系(第三坐标系)的二维矢量，dxsdys为对rs的二维积分，E、H分别表示模型面元上的电场与磁场；P与T分别为平行极化方向与垂直极化方向的 单位矢量；表示出射目标三角面元的法向量，表示入射面元入射方向的 单位矢量，θ′、分别为第一坐标系(高精度模型坐标系)中观察目标的 初始俯仰角与方位角，φ为第二坐标系(转台模型坐标系)中的成像转角； 为引入面元法相调节因子后的面元法向量，Δn为法向调节因子， 为保证法向调节因子不影响目标的RCS特性，可选的，其数值通常控制在在10-3～10-2量级。
下面，通过仿真实验验证本发明的效果。
实验一
请参见图5。图5是本发明实施例提供的二面角模型示意图。利用本实 施例所提出算法、商业软件FEKO中物理光学算法、商业软件CST中SBR 算法计算该模型的电磁散射计算结果。模型尺寸如图所示，X轴、Y轴方 向长度为133mm，Z轴方向高度为138mm，计算频率为10GHz，极化方式 为VV极化，俯仰角为90°，方位扫描角度为[0°，90°]。
实验结果分析：
请参见图6。如图6中子图a分别为：本实施例所提出方法一次散射计 算结果、商业软件FEKO中物理光学算法计算结果、商业软件CST中SBR 算法计算结果、本实施例所提出方法不添加法向调节因子时二次散射计算 结果、本实施例所提出方法添加法向调节因子时二次散射计算结果。图6 子图b是本实施例所提出方法二次散射计算结果与本实施例所提出方法没 有法向调节因子时计算结果的误差。图中结果可以看出，本实施例所提方 法计算结果与商业软件结果一致，同时法向调节因子的引入对目标电磁散 射计算结果的影响很小，其计算误差在10-4数量级，因此可以验证本实施 例所提方法的可行性。
实验二
请参见图2右侧子图的高精度模型，利用本实施例所提方法仿真该模 型远场散射回波数据。扫描频率为7～13GHz，带宽为6GHz，采样间隔为 15MHz；图2中右侧子图的雷达视线变化表示以俯仰角30°，方位角45°， 成像扫描角度为[-17°，17°]，采样间隔为0.085°构建的转台模型，此条件下 的理论二维分辨率为2.5cm×2.5cm。
实验结果分析：
请参见图7，图中横纵坐标均已按照成像分辨率转换为实际尺寸，单位 为m。如图7中子图a是传统点散射模型选取模型面元中点数据仿真成像 结果，图像质量较差；图7中子图b为本实施例提出方法数据仿真成像结 果，图像质量良好且能够反映目标模型结构；图7中子图c为本实施例提 出方法不添加法向调节因子时的数据仿真成像结果，图像质量差。比较图7 中子图a、b，可以发现散射点模型结果与电磁散射模型结果相差较大：子 图a中Ⅰ、Ⅱ处的亮度取决于选取散射点的密集程度，而子图b的电磁计算 的成像结果更符合实际情况目标ISAR图像的明暗区别；Ⅲ处是点散射模型 没有考虑雷达波入射方向中目标部分结构被遮挡造成。从图7中子图c中 可以看出，本实施例提出方法不添加法向调节因子时目标回波成像后聚焦 为点，难以确定目标形状，而图7子图b中图像质量更好，目标形状轮廓 明确，能够更好的体现目标表面结构信息。
本发明在不同极化方式的回波仿真成像的效果可以通过以下结果进行 验证。
实验三
请参见图8。图8是本发明实施例提供的不同极化方式的仿真成像结果 图。图8中子图a、c、e分别为本发明实施例提出方法VV、HV、VH极化 条件的数据仿真成像结果。图8中子图a、c、e分别为本发明实施例提出方 法不加入法向调节因子时VV、HV、VH极化条件的数据仿真成像结果。结 合图7结果可以看出，调节因子的引入使成像结果能反映目标表面信息。 具体表现为：在交叉极化的成像结果中，图8中c、e可以看出目标多次散 射部分结构的成像结果，而无调节因子得到的回波成像后结构特性不明显， 只能看到散射结构的两个端点，如图8中d、f。
综上，本发明实施例所提目标全极化散射回波计算方法得到的不同极 化方式的回波成像处理后图像效果很好，既能够准确表征目标电磁散射特 性，同时可以很好的反映目标表面、几何结构等信息。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明， 不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域 的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简 单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：一种星载聚束合成孔径雷达高分辨实时成像方法