CN112069713B - 一种近场散射特性建模方法、电子设备及存储介质 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种近场散射特性建模方法、电子设备及存储介质，所述方法包括：根据目标几何模型的曲率特性，采用非均匀网格剖分方法对所述目标几何模型进行网格划分。根据发射天线辐射特性分布，计算入射到所述目标几何模型表面的入射场，所述入射场的场强追踪每根入射线直至入射线出射。根据接收天线辐射特性分布，结合接收天线极化方式，获取接收天线位置处的每根出射射线的近场散射特性贡献。本发明考虑了入射波极化分量和接收天线接收特性，获取的近场特性包含了径向分量，完善了近场信息，是一种精确高效的仿真技术手段。

Description

一种近场散射特性建模方法、电子设备及存储介质
技术领域
本发明涉及雷达目标特性仿真技术领域，特别涉及一种近场散射特性建模方法、电子设备及存储介质。
背景技术
近场散射特性仿真计算在现实中意义重大，在近距检测、自动驾驶中应用广泛。近场散射特性仿真中目前主要以带入天线方向性图为主仿真计算，忽略了入射波的极化特性和收天线的接收特性，计算精度亟待提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种近场散射特性建模方法、电子设备及存储介质，实现提高近场散射特性仿真的计算精度的目的。
为了实现以上目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种近场散射特性建模方法，包括：步骤S1、根据目标几何模型的曲率特性，采用非均匀网格剖分方法对所述目标几何模型进行网格划分。步骤S2、根据发射天线辐射特性分布，计算入射到所述目标几何模型表面的入射场，所述入射场的场强追踪每根入射线直至入射线出射。步骤S3、根据接收天线辐射特性分布，结合接收天线极化方式，获取接收天线位置处的每根出射射线的近场散射特性贡献。
优选地，所述步骤S2包括：在所述目标几何模型的中心与发射天线位置连线垂面上均匀选择入射点，连接所述发射天线位置与所述入射点作为传播方向；结合天线远场分布特性及所述传播方向，计算所述入射场。
优选地，选择与所述目标几何模型的外接球切平面作为发射射线的入射面。
优选地，在所述入射面的发射射线密度间隔为λ10，λ为工作波长。
优选地，根据天线远场特性分布，可以将入射至目标表面的入射场表示为
Figure BDA0002675703870000011
式中，I和
Figure BDA0002675703870000021
分别表示
Figure BDA0002675703870000022
分量和
Figure BDA0002675703870000023
分量的幅度，r0为源点到场点的矢量，ki为波矢量，GT为发射天线增益；入射场中包含了两个极化分量，在每个方向上的增益特性由GT确定。
优选地，所述接收天线接收极化方式中的接收场表示为：
Figure BDA0002675703870000024
式中，J(r′)和M(r′)为目标表面等效电流和等效磁流，R为源点到场点的位置矢量，
Figure BDA0002675703870000025
为接收天线的电极化方式，GR为接收天线增益；接收场包含接收天线极化方式的信息，计算出来的Es(r)包含径向分量。
另一方面，本发明还提供一种电子设备，包括处理器和存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现如上文所述的方法。
再一方面，本发明还一种可读存储介质，所述可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现权利要求1至6中任一项所述的方法。
本发明与现有技术相比至少具有以下优点之一：
本发明所提供的一种近场散射特性建模方法，包括：步骤S1、根据目标几何模型的曲率特性，采用非均匀网格剖分方法对所述目标几何模型进行网格划分。步骤S2、根据发射天线辐射特性分布，计算入射到所述目标几何模型表面的入射场，所述入射场的场强追踪每根入射线直至入射线出射。步骤S3、根据接收天线辐射特性分布，结合接收天线极化方式，获取接收天线位置处的每根出射射线的近场散射特性贡献。由此可知，本发明提出的近场散射特性建模方法考虑了入射波极化分量和接收天线接收特性，获取的近场特性包含了径向分量，完善了近场信息，是一种精确高效的仿真技术手段。
本发明的步骤S1采用非均匀网格剖分方法对所述目标几何模型进行网格划分，即本发明采用一种非一致网格剖分技术，不规定剖分尺寸，以最少三角面片逼近目标实体表面，从而快速实现算法中的射线与三角形求交，加速高频求解器的计算效率。
且在近场条件下，入射到目标表面的是球面波，为保证球面波射线均匀入射到目标表面，在选择入射面时，选择目标外接球切平面作为发射天线球面波的入射点。
本发明采用的是天线远场分布特性作为入射波，与现有的仅标量方向性图，更加精确描述入射波的各个分量(
Figure BDA0002675703870000031
分量、
Figure BDA0002675703870000032
分量)，进一步逼近天线辐射特性。
本发明在考虑接收天线接收出射射线时，引入了接收极化方式，使得接收场的结果更加接近实际情形。
且引入的接收极化方式，在计算接收场时，产生了接收场的径向分量，完善了接收场的建模。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的一种近场散射特性建模方法的流程图；
图2为本发明一实施例提供的入射面选择射线发射点的示意图；
图3为本发明一实施例提供的计算接收场的局部坐标系示意图；
图4为本发明一实施例提供的电子设备的结构框图。
具体实施方式
承如背景技术所述，现有的近场电磁散射特性模拟方法忽略了入射波的极化特性和收天线的接收特性，计算精度亟待提高的问题，具体分析如下：
北京环境特性研究所在专利“一种近场电磁散射特性模拟方法”(公开号：CN108445303A)中，结合全波方法多层快速多极子和天线方向性图计算了目标在近场条件下的电磁散射特性表征参量；电子科技大学在专利“一种针对超电大尺寸目标的近场散射仿真方法”(公开号：CN110705058A)中，结合物理光学法和天线方向图，开展了一种快速的目标近场RCS仿真算法；西北工业大学在专利“一种基于高分辨成像的近场RCS快速测量方法”(公开号：CN105388473A)中利用压缩感知优化重构理论实现高分辨成像，大幅改善了测量效率，解决了近场RCS测量耗时、测试大规模数据存储问题。
上述三个专利中，前2个专利主要分别结合天线方向图与高频方法或全波方法，实现近场散射特性仿真计算，没有考虑入射波的极化特性和接收天线接收特性。第3个专利中主要从测试获取角度高效率完成近场RCS测试，不同建模方法。
目前公开文献中，Hao Ling在IEEE TAP《Near-Field Signature PredictionUsing Far-Field Scattering Centers Extracted from the Shooting and BouncingRay Technique》提出了一种基于远场散射中心的近场散射特性快速获取方法，该方法在计算速度上获得极大提升，精度上严重依赖目标散射机理；上海无线电设备研究所蔡红豪在制导与引信上发表的《近场目标电磁散射特性在导弹引信中的应用》中，提出了防空导弹研制各个阶段应开展的近场目标电磁散射特性研究的主要内容以及研究方法。主要涉及测试技术，在建模技术上没有提及。
以下结合附图1～4和具体实施方式对本发明提出的一种近场散射特性建模方法、电子设备及存储介质作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
如图1所示，本实施例提供的一种近场散射特性建模方法，包括：
步骤S1、根据目标几何模型的曲率特性，采用非均匀网格剖分方法对所述目标几何模型进行网格划分。
具体的，在网格划分上，根据目标几何模型的曲面曲率，采用非均匀网格剖分(非一致网格剖分)，不规定剖分尺寸，以最少的网格(所述网格为三角网格，但本发明不以此为限)数量最大程度地逼近目标的几何实体。网格数量优化一定程度上减少了射线与网格的求交测试次数，从而提升高频求解器的计算效率。
即本实施例采用的近场修正弹跳射线法仅需网格最大程度逼近目标的几何实体。典型全波和高频计算方法一般剖分尺寸与电磁波工作频率有关，而近场修正弹跳射线法只需要剖分网格能够最大限度逼近实体模型，对剖分尺寸没有要求。依据曲率的非一致剖分，即在曲率大的地方，网格剖分稠密；曲率小的地方，网格剖分稀疏。由此，本实施例采用的非均匀网格剖分方法不涉及类似其他电磁计算方法的剖分尺寸限制，极大程度满足加速要求。
步骤S2、根据发射天线辐射特性分布，计算入射到所述目标几何模型表面的入射场，所述入射场的场强追踪每根入射线直至入射线出射。
对于平面波入射，发射面的位置无关紧要。如图2所示，但在近场条件下，入射到目标表面的是球面波，为保证球面波射线均匀入射到目标表面，在选择入射面时，选择目标外接球切平面作为发射天线球面波的入射点。即球面波入射下，为了保证入射线的密度一致，尽量选择接近目标的入射面，由此可以最大程度保证入射射线密度。
所述步骤S2还包括：在所述目标几何模型的中心与发射天线位置连线垂面上均匀选择入射点，连接所述发射天线位置与所述入射点作为传播方向；结合天线远场分布特性及所述传播方向，计算所述入射场。
优选地，在所述入射面的发射射线密度间隔为λ10，λ为工作波长。以满足计算精度要求。
优选地，根据天线远场特性分布，可以将入射至目标表面的入射场表示为
Figure BDA0002675703870000051
式中，I和
Figure BDA0002675703870000052
分别表示
Figure BDA0002675703870000053
分量和
Figure BDA0002675703870000054
分量的幅度，r0为源点到场点的矢量，ki为波矢量，GT为发射天线增益；入射场中包含了两个极化分量，在每个方向上的增益特性由GT确定。
结合图2～图3所示，步骤S3、根据接收天线辐射特性分布，结合接收天线极化方式，获取接收天线位置处的每根出射射线的近场散射特性贡献。
所述接收天线接收极化方式中的接收场表示为：
Figure BDA0002675703870000055
式中，J(r′)和M(r′)为目标表面等效电流和等效磁流，R为源点到场点的位置矢量(二次辐射)，
Figure BDA0002675703870000056
为接收天线的极化方式(在局部坐标系下)，GR为接收天线增益；接收场包含接收天线极化方式的信息，计算出来的Es(r)包含径向分量。
在一些其他的实施例中，一种精确高效的近场散射特性建模方法，包含：步骤S1.1、根据目标几何模型的曲率特性，采用非均匀网格剖分方法对所述目标几何模型进行网格划分。
发射天线会发出无数射线，假设发射的射线为n根。第一根射线的散射贡献包括如下步骤：
步骤S2.1、目标几何模型的中心与发射天线位置连线垂面上均匀选择入射点，连接发射天线位置与入射点作为入射线的传播方向；
步骤S3.1、结合天线远场分布特性及传播方向，计算所述入射场，则入射场的场强追踪待计算的射线，直至该待计算的射线出射；
步骤S4.1、综合接收天线极化方式，计算该待计算的射线在接收天线位置处的散射贡献；
步骤S5.1、扫描发射天线位置，返回步骤S2.1～步骤S4.1，直至发射天线所发出的所有的射线的在接收天线位置处的散射贡献。
对上述所有射线的散射贡献进行求和得到近场散射特性。在扫描发射天线位置时，由于计算目标几何上没有发生变化，其所建立的加速数据结构无需重建，进一步实现计算加速。
在本实施例中，上述的网格剖分，入射场和接收场均与上述实施例中的表示相同，在此不再赘述。
再一方面，基于同一发明构思，本发明还提供一种电子设备，如图4所示，所述电子设备包括处理器301和存储器303，所述存储器303上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器301执行时，实现如上文所述的一种近场散射特性建模方法。
本实施例提供的电子设备，可以实现提高近场散射特性仿真的计算精度的目的。
继续参考图4，所述电子设备还包括通信接口302和通信总线304，其中所述处理器301、所述通信接口302、所述存储器303通过通信总线304完成相互间的通信。所述通信总线304可以是外设部件互连标准(Peripheral Component Interconnect，PCI)总线或扩展工业标准结构(Extended Industry Standard Architecture，EISA)总线等。该通信总线304可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。所述通信接口302用于上述电子设备与其他设备之间的通信。
本实施例中所称处理器301可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，所述处理器301是所述电子设备的控制中心，利用各种接口和线路连接整个电子设备的各个部分。
所述存储器303可用于存储所述计算机程序，所述处理器301通过运行或执行存储在所述存储器303内的计算机程序，以及调用存储在存储器303内的数据，实现所述电子设备的各种功能。
所述存储器303可以包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。
其他方面，基于同一发明构思，本发明还提供了一种可读存储介质，所述可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时可以实现如上文所述的一种近场散射特性建模方法。
本实施例提供的可读存储介质，可以实现提高近场散射特性仿真的计算精度的目的。
本实施例提供的可读存储介质，可以采用一个或多个计算机可读的介质的任意组合。可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是但不限于电、磁、光、电磁、红外线或半导体的***、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机硬盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本文中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行***、装置或者器件使用或者与其组合使用。
计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行***、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。
在本实施例中，可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本实施例操作的计算机程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言-诸如Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言-诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(LAN)或广域网(WAN)连接到用户计算机，或者可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
应当注意的是，在本文的实施方式中所揭露的装置和方法，也可以通过其他的方式实现。以上所描述的装置实施方式仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本文的多个实施方式的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用于执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的***来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
另外，在本文各个实施方式中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。
综上所述，本发明提出的近场散射特性建模方法考虑了入射波极化分量和接收天线接收特性，获取的近场特性包含了径向分量，完善了近场信息，是一种精确高效的仿真技术手段。本发明的采用非均匀网格剖分方法对所述目标几何模型进行网格划分，即本发明采用一种非一致网格剖分技术，不规定剖分尺寸，以最少三角面片逼近目标实体表面，从而快速实现算法中的射线与三角形求交，加速高频求解器的计算效率。且在近场条件下，入射到目标表面的是球面波，为保证球面波射线均匀入射到目标表面，在选择入射面时，选择目标外接球切平面作为发射天线球面波的入射点。本发明采用的是天线远场分布特性作为入射波，与现有的仅标量方向性图，更加精确描述入射波的各个分量(
Figure BDA0002675703870000091
分量、
Figure BDA0002675703870000092
分量)，进一步逼近天线辐射特性。本发明在考虑接收天线接收出射射线时，引入了接收极化方式，使得接收场的结果更加接近实际情形。
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。

Claims (6)

1.一种近场散射特性建模方法，其特征在于，包括：
步骤S1、根据目标几何模型的曲率特性，采用非均匀网格剖分方法对所述目标几何模型进行网格划分；
步骤S2、根据发射天线辐射特性分布，计算入射到所述目标几何模型表面的入射场，所述入射场的场强追踪每根入射线直至入射线出射；
步骤S3、根据接收天线辐射特性分布，结合接收天线极化方式，获取接收天线位置处的每根出射射线的近场散射特性贡献；
根据天线远场特性分布，可以将入射至目标表面的入射场表示为
Figure FDA0003898172080000011
式中，I和
Figure FDA0003898172080000012
分别表示
Figure FDA0003898172080000013
分量和
Figure FDA0003898172080000014
分量的幅度，r0为源点到场点的矢量，
ki为波矢量，GT为发射天线增益；入射场中包含了两个极化分量，在每个方向上的增益特性由GT确定；
所述接收天线接收极化方式中的接收场表示为：
Figure FDA0003898172080000015
式中，J(r′)和M(r′)为目标表面等效电流和等效磁流，R为源点到场点的位置矢量
Figure FDA0003898172080000016
为接收天线的极化方式，GR为接收天线增益；接收场包含接收天线极化方式的信息，计算出来的Es(r)包含径向分量。
2.如权利要求1所述的近场散射特性建模方法，其特征在于，所述步骤S2包括：在所述目标几何模型的中心与发射天线位置连线垂面上均匀选择入射点，连接所述发射天线位置与所述入射点作为入射线的传播方向；
结合天线远场分布特性及所述传播方向，计算所述入射场。
3.如权利要求1所述的近场散射特性建模方法，其特征在于，
选择与所述目标几何模型的外接球切平面作为发射射线的入射面。
4.如权利要求3所述的近场散射特性建模方法，其特征在于，
在所述入射面的发射射线密度间隔为λ10，λ为工作波长。
5.一种电子设备，其特征在于，包括处理器和存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现权利要求1至4中任一项所述的方法。
6.一种可读存储介质，其特征在于，所述可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现权利要求1至4中任一项所述的方法。
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