复杂物体雷达图像模拟

北京交通大学硕士学位论文复杂物体雷达图像模拟姓名：温晓阳申请学位级别：硕士专业：光学指导教师：李文博;王超20051201A b s t r a c t1 1 1 i sp a p e rc o n c e m st h es i m u l a t i o no fI n V e r s eS y n t h e t i cA p e r t u r eR a d a r( I S A R ) i m a g eo fa no b j e c to V e rap e r f e c t l yc o n d u c t i n gg r o u n dp l a n eo ra1 0 s s yd i e l e c m cs u c ha ss e aw a t e rA st h er e s 0 1 u t i o ni n c r e a s i n g ，t h en e e dO fr e s e a r c ht h em e c h a n i s mo ft h ee l e c t r o m a g n c t i cs c a t t e r i n gi sm o r ei m p o n a n t T h es c e n a r i oo fac o m p l e xo b j e c to nt h ei m p c d a n c ep l a t e si sc o I l s i d e r e di nt h ew o r k A c q u i s i t i o no fr e a ls c a t t e “n g出嚏af o rt h ed e V e l o p m e n to fr a d a rs i g nx北京交通人学硕士毕业论文§1 1 研究背景第1 章概述雷达是迄今为止最为有效的远程电子探测设备，它根据雷达目标对雷达波的散射能量来判定目标的存在并确定目标的位置。自从第二次世界大战中发明了雷达以来，雷达在军用和民用系统中部扮演着重要的角色。在民用方面，雷达用在导航的各个方面，例如地形防撞系统，空中交通管制，气象警戒系统和高度表。除了这些应用，一些军用设施，如飞机，舰船和卫星上的雷达还起着侦测、监视以及攻击的作用。定量描述目标雷达回波特性的参量是物体对入射雷达波呈现的有效散射面积，即雷达截面( R a d a rC r o s sS e c t i o n ，R C S ) 。在美国，复杂目标R C S 预估软件开发从8 0 年代就丌始了，如诺斯罗普公司开发的预估软件G E N s C A T 、M I S C A T 、H E L I S C A T ，海军研究实验室0 娘L ) 也开发了R c s 预估软件。随着计算机技术、图形学技术以及近年来科学计算可视化的发展，为更新形式的预估软件开发提供了条件。现在的预估软件集计算机建模和电磁散射特性分析于一体，通过图形用户界面( G U I ) 提供其强大的功能。现在的R c s 软件不仅具有求解R c s 的优良特性，有的还集成了目标的其它电磁特征，如目标距离像( 一维特征) 和合成孔径成像( 二维特征) 、海杂波模型等预测分析模块。这些为将来电磁系统的三维仿真取代暗室测量奠定了基础。其中比较优秀的几套软件介绍如下。1 ) c A D D s c A T 。c A D D s C A r 是美国麦道航空公司开发的R c s 分析通用代码，该软件由D - M - E l k i n g 主持开发，于1 9 9 2 年完成，其后进行了优化，预测速度逐年提高。该软件包括两套建模工具，面元模型和参数表面北京交通大学烦 一毕业论文模型，用户可以根据需求选择不同的拟合方法，其中面元模型的计算时间要比参数模型运行时间少。电磁预测部分采用P 0 ( 物理光学) 方法，该软件的底层建模采用海军飞行器设计研究小组的设计工具C A D w G ，结合了I G E s ( 基本图形转化规范) 1 9 8 8 年测定的标准。该软件的主要特点是可以预测多种模型，包括各种型号的飞机、舰船等。由于计算中P O 积分采用R i b b o n技术，射线跟踪采用S E A D S 技术，不但提高了计算速度，而且能够计算多次反射现象和阴影绕射，预测精度得到改善。2 、黜N U R S 。R A N U R S 复杂目标R C S 预测软件由西班牙C a r I t a b r i a 大学于1 9 9 3 年完成，该软件适用于复杂目标的高频R C s 预测。该软件底层建模采用N U R B S ( 非均匀有理B 样条) 技术，数据交换用I G E S 标准，电磁预估部分采用P o + M E C ( 等效电磁流) 方法。该方法具有如下显著优点：曲面分割数目少，拟合精度高，消除了人工边缘。该软件能够进行飞机和导弹等复杂目标的l s 计算。3 1 X 联r C H 。x R 盯c H 是复杂三维目标高频散射预估软件，由美国I l I i n o u s 大学s w L c e 教授领导开发。该软件采用x w i n d o wM o t i fG u I 集成了c A D 几何建模工县和分析预测代码，使用户在一个软件包中完成建模到预测的工作。) A T c H 电磁分析采用s B R ( 弹跳射线法) ，能够计算复杂目标的全极化雷达散射，包括了一次P 0 反射和P n ) ( 物理绕射理论) 贡献及多次反射，硬件和软件均采用了z 缓冲技术，提高了预估精度并缩短了计算时阆。该软件中采用了立方体和面元两种方法进行建模，包括电磁分析模块、C A D 可视化工具和图形用户接口( o U I ) 三部分。该软件增加了一维距离像和合成孔径成像的功能，能够提供更加丰富的电磁散射特征，可以进行飞机、导弹、坦克等军事目标的电磁散射分析，这一软件仍在不断完善中，在将来的版本中将会集成低频散射部分和高频散射的高阶散射的影响，从而实现全频段的电磁仿真。北京交通大学硕f j 毕业论史4 1 G R E C O 。G R E C o 也是西班牙c 锄t a b r i a 大学开发的R C S 预估软件，它充分利用了计算机可视化技术，采用计算机图形学中的射线跟踪方法，通过光敖射的R G B 三色度的代数运算，能够进行实时R c s 预估。但是该方法不能够分析腔体散射、爬行波、以及缝隙等不连续性散射。这些散射贡献可以采用其它方法进行分析，加入G R E C O 软件包中。此外，G R E C O采用一个像素表示目标表面一块面积，对于尺寸较大、形状复杂的目标精度很低，同时，在低R c s 散射的方向计算精度不够。5 1P O F A C E T S 。由美国海军研究生学校开发，使用物理光学来计算复杂物体的雷达截面积。使用M A r L A B 的科学计算特性和它的躅形界面( G u I )提供了输入参数和有效的R C S 计算。提供了一个方便的工具使用三角面元来表示复杂形体的外形。从以上介绍可见，国外的复杂目标电磁特征分析已经包含了R C S ( 零维特征信号) 、一维距离像( 一维特征信号) 、合成孔径成像( 二维特征信号) 。近年来国内也开始了复杂目标l 屺s 以及复杂环境预估软件的行发，如国内1 9 9 9 年赵维江使用区域投影物理光学方法计算了多次反射的贡献。1 9 9 9 年罗宏做了目标宽带雷达特征信号的建模和模拟。2 0 0 4 年汪华做了基于图形硬件的快速R c s 估算。在成像模拟方面的研究和验证工作还不够。§1 2 研究意义雷达能快速提供大面积区域的高分辨率图像，而关联图像与真实场景的雷达散射机制的研究对于雷达应用具有重要的意义。现在对物体的后向散射的计算研究已经很多，涉及土壤，植被，建筑以及卡车等各种地形地物。四十年来，物理光学( P h y s i c a lO p l i c s ，P O ) 被广泛的用于计算电大目标的电磁散射问题。最初用于简单形体( 简单几何体) ，这种情况下散射可以由封闭的算式得到。当应用于一般表面时，物理光学表面积分依赖于所用3北京交通大学硕I 岸业论文的数值计算方法。对于多边形的情况可以通过G o r d o n 方法转换为封闭的算式【3 】。对于三角网格可以先得到三个角点的复数强度，再通过L u d “g 算法得到物理光学积分【4 】。图形法把每个像素当作一个矩形，再求得与屏幕的夹角来计算积分【1 0 。反射面为非导体时，可以先求得反射系数，从而得到不同极化方向的贡献。对于二次反射，可以用G O - P 0 ，或者是P O P O 。其中G O 代表g e o m e t r i co p t i c s 。G O P O 用于一般复杂复杂物体的散射【5 】。P O P O 比较精确，可用于角反射器的计算中 7 】。物理光学还发展出一些变形，如驻相法 1 l 】，迭代物理光学法【1 2 】，快速物理光学法f 1 3 】。S B R 方法通过密集的射线来求得由四个角点构成的光束在复杂物体表面的几何光学传播而得到最后的物理光学积分。s B R 在八十年代引入的，现在已成为预测c A D 虚拟目标的散射的标准方法。但是这种方法需要大量的计算来满足对模型尺寸的精度和使用的射线的密度。而物理光学的积分并没有要求面元的大小，这样可以增大单个射线包含的范围来提高效率，可以扩大到面元大小的情况。国内基本采用这种方法计算后向散射贡献，再加上边缘饶射来作为修正。经过文献查阅，认为物理光学近似在雷达成像中占有主导地位，在处理物体与地面的二次反射，三次反射中大量使用，并广泛运用于成像分析中。本文将对这种物理光学和几何光学相结合的方法应用于雷达成像方面的问题作详细研究。论文考虑了导体表面以及地面如何反射电磁波的闯题，讨论了R C S 的计算以及I S A R 成像的模拟的方法并编制了软件。然后分析了对应不同的参数得到的模拟图像，研究了不同的成像方式的区别。北京交通大学硕士毕业论文§1 3 论文结构第二章提供了一个雷达成像的基础，使用三维物体的远场散射表达式来描述合成孔径成像问题。给出了方位向剖面和距离向剖面的计算公式，以及距离向分辨率和方位向分辨率与带宽与角窗口的关系。第三章对计算在三维导体表面使用物理光学近似表面电流得到远场散射的各种计算方法进行了分析讨论。积分方法主要有G o r d o n 方法，L u d w i g方法，图形法，然后分析了介质表面和粗糙表面情况。对于各种表面，都可以使用物理光学近似得到反射场。第四章讨论雷达截面积计算中的图形学处理的几个步骤。得到了射线在物体表面的反射的过程，重点是求取二次反射面和强度的跟踪。第五章讨论了雷达一维向以及二维成像中使用的算法，以及原因。分析了曩茎要篓栖籍翼x北京交通大学顾卜毕业论文第2 章雷达成像原理§2 1 雷达截面积雷达截面积( R a d a r C m s sS e c t i o n ) 是目标后向散射强度的度量，被定义为：盯：燃艘：熙璁4 斌z 燃( 2 1 )“。蚓2 “。2。式中E 和分别是入射电场和磁场强度，5 和H5 分别是散射电场和磁场强度。雷达目标反射或散射的能量可以表示为一个有效面积与入射雷达波功率密度的乘积，这个面积就是雷达截面积。虽然一般较大的物理截面积有较大的雷达截面积，但是雷达截面积和它的物理截面积没有直接的关系。雷达截面积和很多因素有关：尺寸，形状，角度，吸收、传输、反射特性。图2 1 导体球归一化R C S 的值随电尺寸蛔的变化鼻矗u盛t墨I星§2 2 兰缝物体的趣扬后向散射。蔷选北京交通人学硕士毕业论文现在便削( 2 ·5 ) 1 葡化( 2 3 ) 式，得剑思的后I 可敬射场：删= 口触b ( 卜等+ 竽) d 3 ，陋s ，雷达位置曰可以限制在一个单独的平面内。在坐标系里可以把这个平面取做w 平面，那么：咋= ( c o s 口，s i n 目)( 2 9 )P R ·，= z