專利名稱：針對(duì)艦船的雷達(dá)散射截面檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于利用圖形電磁計(jì)算(GRECO)技術(shù)高速分析目標(biāo)物體的雷達(dá)散射截面(RCS)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
圖形電磁計(jì)算(GRECO)技術(shù)被認(rèn)為是目前電磁散射理論界分析復(fù)雜目標(biāo)雷達(dá)散射截面RCS 最有效的方法。目前比較常見的圖形計(jì)算方法是商業(yè)軟件的剖分計(jì)算方法和利用圖形軟件標(biāo) 準(zhǔn)接口技術(shù)OpenGL實(shí)現(xiàn)的方法。
1. 商業(yè)圖形計(jì)算軟f^的剖分算法
該方法受到計(jì)算速度和存儲(chǔ)空間的限制，剖分必須把目標(biāo)分解成尺度不大于仍 波長的小三角形來計(jì)算，剖分后平面單元的個(gè)數(shù)與頻率的平方成正比。隨著頻率的 增加計(jì)算的時(shí)間復(fù)雜度和空間復(fù)雜度幾乎是幾何級(jí)數(shù)增長的，使得剖分算法并不適 合于高頻區(qū)(1GHZ以上)的RCS計(jì)算。
2. 利用OpenGL技術(shù)
該方法首先將目標(biāo)物體劃分成一定數(shù)量的四邊形，將每個(gè)不同的四邊形賦給不 同的顏色值，利用圖形卡的消隱能力對(duì)顯示結(jié)果進(jìn)行顏色判斷，對(duì)每個(gè)顯示出顏色 的四邊形進(jìn)行散射計(jì)算，最后加總結(jié)果?？梢娫摲椒ǖ挠?jì)算與頻率無關(guān)，精確度是 由四邊形的大小決定的，當(dāng)物體尺度很大又存在很細(xì)微的細(xì)節(jié)或者存在部分遮擋的 情況時(shí)，該方法的計(jì)算精度就會(huì)受到一定影響。
針對(duì)現(xiàn)有方法的問題，提出了本發(fā)明，其中所涉及的已有技術(shù)物理光學(xué)法和計(jì)算 機(jī)圖形消隱算法。 1.散射算法
計(jì)算散射的方法主要包括以下幾種
a)經(jīng)典散射算法。該算法從電磁場(chǎng)波動(dòng)方程出發(fā)，根據(jù)散射體的邊界條件求得長的嚴(yán)格級(jí)數(shù)解。這種方法只能適用于一些外形簡(jiǎn)單的目標(biāo)。
b) 積分散射算法。該方法求解由表示的麥克斯韋方程。實(shí)際上是一種數(shù)值解法。 由于計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)量和速度的限制，這種方法僅限于低頻區(qū)和諧振區(qū)目標(biāo)。
c) 幾何光學(xué)散射算法。這種方法從射線追蹤出發(fā)，在極高頻的極限情況下，麥 克斯韋方程可用光學(xué)定律來表示。當(dāng)目標(biāo)為平面時(shí)該方法計(jì)算結(jié)果為無窮大， 不適用于本研究領(lǐng)域。
d) 物理光學(xué)散射算法。該算法同樣基于斯特拉頓-朱蘭成積分方程，與積分方 法不同的是，考慮到高頻場(chǎng)的局部性原理，完全忽略了各部分感應(yīng)電流的相 互影響，從而使得計(jì)算遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)變得簡(jiǎn)單的多，尤其在計(jì)算多邊形平面目標(biāo)時(shí)， 甚至避免了任何形式的積分計(jì)算。
上述幾種方法中物理光學(xué)散射算法最適合本研究領(lǐng)域，該算法來源于William B
Gordon.Far-field approximations to the Kirchoff-Helmholtz representations of scattered
fields. [J].IEEETrans Antennas Propagation,July,1975: 590-592。該算法在多邊形平面的散 射計(jì)算中可簡(jiǎn)化為不包含任何積分的形式。以下進(jìn)行詳細(xì)說明
計(jì)算金屬平面散射時(shí)用到的基于物理光學(xué)的Kirchhoff理論表述為Helmholtz積
這是個(gè)面的雙重積分，式中所用到的符號(hào)說明如下:
^入射波前的單位法向矢量
々平面S的單位法向矢量，指向包含P點(diǎn)的半空間
F從P點(diǎn)到平面S上一點(diǎn)的矢量
R平面S上一定點(diǎn)A到P的矢量
^ [《-i J在平面S上的投影
其中
利用Green定理可以將該積分簡(jiǎn)化為對(duì)邊界的線積分:
i《一H《南
(《.々+《 々)e
,鄧，
4如果這個(gè)平面是多邊形，那么這個(gè)計(jì)算則可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為一個(gè)不含任何積分的 簡(jiǎn)單表達(dá)式
",^^V…+t;') (4)
其中ap.,., 是N邊形的N個(gè)頂點(diǎn)。表達(dá)式中的T表述如下
K"'.A《)^2-exp[^iH5"+U] (5)
AKi-3" (6) 在最后針對(duì)每個(gè)多邊形的散射強(qiáng)度加總時(shí)，需要注意每個(gè)多邊形散射強(qiáng)度的相 對(duì)相位關(guān)系，這個(gè)相對(duì)相位體現(xiàn)在圖2中固定點(diǎn)A的位置，該點(diǎn)應(yīng)該是S所在的無 限大平面和視線的交點(diǎn)，該交點(diǎn)可能在面S內(nèi)，也可能在面S外，不同的多邊形是 不一樣的。 2.計(jì)算機(jī)圖形消隱算法-
消除隱藏面是本發(fā)明關(guān)鍵組成部分之一，目前有多種實(shí)用而成熟的算法
a) Z緩沖算法。該算法針對(duì)于屏幕上的每個(gè)象素點(diǎn)討論，最終選擇離視點(diǎn)最近 的點(diǎn)顯示。
b) 區(qū)間掃描線算法。該算法克服了 Z緩沖算法必須針對(duì)每個(gè)象素點(diǎn)計(jì)算的局限， 使得在一條掃描線上每個(gè)區(qū)間只計(jì)算一次深度值，并且不需要Z緩沖區(qū)，提 高了運(yùn)算速度。
c) 區(qū)域子分割算法。把物體投影到全屏幕窗口上，然后遞歸分割窗口，直到窗 口內(nèi)目標(biāo)足夠簡(jiǎn)單，可以顯示為止。
d) 畫家算法。把物體的各個(gè)面按離視點(diǎn)的遠(yuǎn)近排序，由遠(yuǎn)及近的繪制各面，后 顯示的圖形覆蓋先顯示的畫面，就達(dá)到了消隱的效果。
e) 區(qū)域排序算法。在圖像空間中，將待顯示的所有多邊形按深度值從小到大排 序，用前面可見的多邊形去切割后面的多邊形，最終使得每個(gè)多邊形要么可 見，要么完全不可見。
由于前四種算法只關(guān)心最終圖像顯示的效果，多邊形的信息在消隱的過程中丟失
了，而消隱后的結(jié)果需要和處理多邊形的物理光學(xué)算法對(duì)接，所以消隱后的多邊形信 息是必要的，區(qū)域排序算法保留了消隱結(jié)果的多邊形表達(dá)形式，該算法來源于和青芳著.計(jì)算機(jī)圖形學(xué)原理及算法教程.清華大學(xué)出版社.2005。所以我們最終選擇了該 算法。以下進(jìn)行詳細(xì)說明
設(shè)視點(diǎn)方向在物體一側(cè)，且由-Z軸指向+Z軸，在圖像空間中，將待顯示的所有 多邊形按深度值(Z坐標(biāo)分量)從小到大排序，用前面可見的多邊形去切割后面的多邊 形，最終使得每個(gè)多邊形要么可見，要么完全不可見。
用區(qū)域排序算法消隱，需要用到一個(gè)多邊形裁剪算法。當(dāng)對(duì)處于任意位置的兩 個(gè)形體相應(yīng)表面的多邊形進(jìn)行剪裁時(shí)，稱用來裁剪的多邊形為裁剪多邊形，另一個(gè) 多邊形為被裁剪多邊形。算法要求多邊形的邊是有向的，本發(fā)明中采取逆時(shí)針方向， 沿著邊的走向，左側(cè)始終是多邊形的內(nèi)部，右側(cè)始終是多邊形的外側(cè)。若兩多邊形 相交，新的多邊形可以用"遇到交點(diǎn)后向右拐"的規(guī)則來生成。具體步驟說明如下
1. 設(shè)裁剪多邊形為A，被裁剪多邊形為B，
2. 將A， B在X， Y平面上做投影，
3. 求投影面上兩多邊形的交點(diǎn)，
4. 將所得交點(diǎn)分別加入到兩個(gè)多邊形的頂點(diǎn)集合，得到兩個(gè)新的集合，并對(duì)新
集合進(jìn)行逆時(shí)針排序。設(shè)排序后的新集合為A+和B+，
5. 以B+的各點(diǎn)按順序掃描，如果遇到交點(diǎn)則進(jìn)行如下操作，直到掃描完畢，
6. 首先判斷該交點(diǎn)是從A外進(jìn)入A內(nèi)的交點(diǎn)(入交點(diǎn))還是從A內(nèi)出到A外的交
點(diǎn)(外交點(diǎn))。如果是入交點(diǎn)則進(jìn)入7，反之則進(jìn)入8，
7. 按順時(shí)針沿A掃描遇到交點(diǎn)則按逆時(shí)針沿B掃描的策略循環(huán)直到遇到最開始
的交點(diǎn)，將過程中掃描到的點(diǎn)記錄下來形成一個(gè)新的集合，這個(gè)集合就是新 的可見多邊形(外多邊形)。而按逆時(shí)針沿B掃描遇到交點(diǎn)則按逆時(shí)針沿A掃 描的策略循環(huán)直到遇到最開始的交點(diǎn)，將過程中掃描到的點(diǎn)記錄下來形成另 一個(gè)新的集合，這個(gè)集合就是新的不可見多邊形(內(nèi)多邊形)，
8. 按按逆時(shí)針沿B掃描遇到交點(diǎn)則順時(shí)針沿A掃描的策略循環(huán)直到遇到最開始
的交點(diǎn)，將過程中掃描到的點(diǎn)記錄下來形成一個(gè)新的集合，這個(gè)集合就是新 的可見多邊形(外多邊形)。而按逆時(shí)針沿A掃描遇到交點(diǎn)則按逆時(shí)針沿B掃 描的策略循環(huán)直到遇到最開始的交點(diǎn)，將過程中掃描到的點(diǎn)記錄下來形成另 一個(gè)新的集合，這個(gè)集合就是新的不可見多邊形(內(nèi)多邊形)。 于是被剪裁多邊形被分為兩個(gè)乃至多個(gè)多邊形；把其中落在裁剪多邊形外的多 邊形叫做外部多邊形；把落在裁剪多邊形之內(nèi)的多邊形叫做內(nèi)部多邊形。利用裁剪算法可以描述區(qū)域排序算法的步驟如下
1. 進(jìn)行初步的深度值排序，如可按各多邊形z向坐標(biāo)的最小值(或最大值，平 均值)排序。
2. 選擇當(dāng)前深度最小(離視點(diǎn)最近)的多邊形為裁剪多邊形。
3. 用裁剪多邊形對(duì)那些深度值更大的多邊形進(jìn)行裁剪。
4. 比較裁剪多邊形與各個(gè)內(nèi)部多邊形的深度，檢査裁剪多邊形是否是離視點(diǎn)最 近的多邊形。如果裁剪多邊形深度大于某個(gè)內(nèi)部多邊形的深度，則恢復(fù)被裁剪多邊 形的各個(gè)多邊形的原形，選擇新的裁剪多邊形，回到步驟3再做，否則步驟5。
5. 選擇下一個(gè)深度最小的多邊形作為裁剪多邊形，從步驟3開始做，直到所有 多邊形都處理為止。在得到的多邊形中，所有內(nèi)部多邊形是不可見的，其余多邊形 均為可見多邊形。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，對(duì)電大尺寸目標(biāo)的雷達(dá)散射截面計(jì)算是隱身技術(shù)的理論基礎(chǔ)之一， 但目前的商業(yè)軟件在計(jì)算高頻(1GHZ以上)的時(shí)候有困難，而采用OpenGL技術(shù)的圖形電磁 計(jì)算方法則對(duì)某些復(fù)雜目標(biāo)的計(jì)算存在精度上的缺陷。本發(fā)明針對(duì)這種狀況對(duì)目標(biāo)物體做了 多邊形表達(dá)的表達(dá)，并利用物理光學(xué)的散射方程，結(jié)合計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的消隱技術(shù)完善了 RCS 的計(jì)算，不再需要對(duì)物體進(jìn)行剖分，使得計(jì)算成本與頻率無關(guān)，消隱的引進(jìn)也解決了計(jì)算中 精度上的缺陷。從而達(dá)到高速精確的計(jì)算高頻雷達(dá)散射截面的目的。
本發(fā)明的特征在于，所述方法依次按以下步驟在計(jì)算機(jī)中予以實(shí)現(xiàn)-
步驟(l):初始化
設(shè)定坐標(biāo)軸以水平面上垂直于艦船側(cè)面的方向?yàn)閆軸，所述水平面上垂直于該Z軸的 方向?yàn)閄軸，垂直于所述水平面的方向?yàn)閅軸； 輸入目標(biāo)沿Y軸旋轉(zhuǎn)軟件包；
Matlab工具包；
計(jì)算圖形消隱的區(qū)域排序算法軟件包； 基于物理光學(xué)的散射算法軟件包； 步驟(2):對(duì)目標(biāo)艦船進(jìn)行建模，針對(duì)艦船的幾何形狀，用設(shè)定好的坐標(biāo)軸，把艦船表面 描述成由N個(gè)任意多邊形拼接而成，N為設(shè)定值，把艦船表面N個(gè)任意多邊形作為目標(biāo)表面，每個(gè)所述任意多邊形都由一組逆時(shí)針順序的三維點(diǎn)集組成，并把所述N個(gè)任意多邊形以數(shù)組 形式輸入到Matlab工具包中，畫出立體透視步驟(3):把步驟《2)中得到的艦船模型，利用所述沿Y軸旋轉(zhuǎn)軟件包逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角
度為[o。 ，180° ]，其中，+乂方向?yàn)?°方向，+2方向?yàn)?0°方向，旋轉(zhuǎn)間隔為r ，對(duì)每個(gè)
角度上旋轉(zhuǎn)后的所述艦船模型，用所述計(jì)算機(jī)圖形消隱算法軟件包作消隱處理；
步驟(4):把步驟(3)得到的所述目標(biāo)表面每次消隱后的多邊形集合輸入到所述基于物理光 學(xué)的散射算法軟件包中，加總所有所述任意多邊形的散射結(jié)果，最終得到每個(gè)角度的散射截 面；
步驟(5):把掃描[O。 ，180° ]區(qū)間內(nèi)的雷達(dá)散射界面結(jié)果列出。
系統(tǒng)的主程序流程圖如圖2所示。其中消隱程序是該系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊之一，采用區(qū)域排 序算法，最終得到可見部分的多邊形集合的表達(dá)，該部分的流程圖如圖3所示。
在計(jì)算精度相同的條件下，本發(fā)明的計(jì)算速度大大高于商業(yè)軟件的剖分計(jì)算方法。


圖l 物理光學(xué)法示意圖； 圖2 系統(tǒng)的主程序流程圖； 圖3 區(qū)域排序算法的流程圖； 圖4 艦船的Matlab模型； 圖5 45°時(shí)的消隱效果； 圖5(a)可視部分的正面圖5(b)立體旋轉(zhuǎn)一定角度的圖示，以便看清消隱效果； 圖6 800MHz下掃描180°的消隱結(jié)果。
具體實(shí)施例方式
以艦船為例。我們采用商業(yè)軟件和本發(fā)明分別計(jì)算該艦船的雷達(dá)散射截面。用本發(fā)明的 計(jì)算步驟如下
a)設(shè)定坐標(biāo)軸，以水平面上垂直于艦船側(cè)面的方向?yàn)閆神，水平面上垂直于Z軸的為X 軸，垂直于水平面的方向?yàn)閅軸。b>對(duì)目標(biāo)做建模，用N個(gè)多邊形來表達(dá)目標(biāo)的表面，N的大小依照目標(biāo)的表面復(fù)雜度和 對(duì)結(jié)果精確程度的要求而不同，多邊形可以是任意的，每個(gè)多邊形都是由一組逆時(shí)針 順序的三維點(diǎn)集組成。將這N個(gè)多邊形按任意順序輸入到Matlab的數(shù)組中，畫出立 體透視圖，如圖4所示。
c) 對(duì)模型沿Y軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度為[(T ,180°，其中+X方向?yàn)?° ， +Z方向?yàn)?90°方向，間隔T 。對(duì)每個(gè)角度上旋轉(zhuǎn)后的模型做消隱處理，圖5示出了該模型在 旋轉(zhuǎn)45°時(shí)的消隱效果，子圖(a)是可視部分，子圖(b)將可視部分立體旋轉(zhuǎn)到可以看 清消隱效果的角度。
d) 在每一個(gè)角度上得到的消隱后的可視體描述，即其多邊形集合表達(dá)，輸入到物理光學(xué) 計(jì)算散射的算法中，加總所有可視多邊形的散射結(jié)果，最終得到該角度總的雷達(dá)散射 截面。
e) 將掃描[O。 ，180°范圍的雷達(dá)散射截面結(jié)果輸出，在800MHz的結(jié)果如圖6所示。 比較結(jié)果可知，在CPU為Intel Core2 Duo E6750 @ 2.66GHz，內(nèi)存為4GB計(jì)算環(huán)境下，對(duì)
800MHz的仿真，商業(yè)圖形計(jì)算軟件用時(shí)380分鐘，本發(fā)明用時(shí)1.8分鐘。隨著頻率的增加商 業(yè)軟件用時(shí)將以幾何級(jí)數(shù)增長，據(jù)擬合結(jié)果估算，在3GHz時(shí)商業(yè)軟件的用時(shí)將達(dá)到20天左 右。而在精度方面，本發(fā)明的結(jié)果與商業(yè)軟件的結(jié)果幾乎完全吻合。說明了本發(fā)明在高頻的 雷達(dá)散射截面計(jì)算方面具有高速性和精確性。
權(quán)利要求
1.針對(duì)艦船的雷達(dá)散射截面檢測(cè)方法，其特征在于，所述方法依次按以下步驟在計(jì)算機(jī)中予以實(shí)現(xiàn)步驟(1)初始化設(shè)定坐標(biāo)軸以水平面上垂直于艦船側(cè)面的方向?yàn)閆軸，所述水平面上垂直于該Z軸的方向?yàn)閄軸，垂直于所述水平面的方向?yàn)閅軸；輸入目標(biāo)沿Y軸旋轉(zhuǎn)軟件包；Matlab工具包；計(jì)算圖形消隱的區(qū)域排序算法軟件包；基于物理光學(xué)的散射算法軟件包；步驟(2)對(duì)目標(biāo)艦船進(jìn)行建模，針對(duì)艦船的幾何形狀，用設(shè)定好的坐標(biāo)軸，把艦船表面描述成由N個(gè)任意多邊形拼接而成，N為設(shè)定值，把艦船表面N個(gè)任意多邊形作為目標(biāo)表面，每個(gè)所述任意多邊形都由一組逆時(shí)針順序的三維點(diǎn)集組成，并把所述N個(gè)任意多邊形以數(shù)組形式輸入到Matlab工具包中，畫出立體透視圖；步驟(3)把步驟(2)中得到的艦船模型，利用所述沿Y軸旋轉(zhuǎn)軟件包逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度為
，其中，+×方向?yàn)?°方向，+Z方向?yàn)?0°方向，旋轉(zhuǎn)間隔為1°，對(duì)每個(gè)角度上旋轉(zhuǎn)后的所述艦船模型，用所述計(jì)算機(jī)圖形消隱算法軟件包作消隱處理步驟(4)把步驟(3)得到的所述目標(biāo)表面每次消隱后的多邊形集合輸入到所述基于物理光學(xué)的散射算法軟件包中，加總所有所述任意多邊形的散射結(jié)果，最終得到每個(gè)角度的散射截面；步驟(5)把掃描
區(qū)間內(nèi)的雷達(dá)散射界面結(jié)果列出。
全文摘要
針對(duì)艦船的雷達(dá)散射截面檢測(cè)方法屬于利用圖形電磁計(jì)算(GRECO)技術(shù)高速分析目標(biāo)物體的雷達(dá)散射截面(RCS)領(lǐng)域。其特征在于，該發(fā)明對(duì)目標(biāo)物體做了多邊形表達(dá)的建模，并利用物理光學(xué)的散射方程，結(jié)合計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的消隱技術(shù)完善了RCS的計(jì)算，不再需要對(duì)物體進(jìn)行剖分，使得計(jì)算成本與頻率無關(guān)，消隱的引進(jìn)也解決了計(jì)算中精度上的缺陷。從而達(dá)到高速精確的計(jì)算高頻雷達(dá)散射截面的目的。
文檔編號(hào)G01S7/41GK101526611SQ20091008120
公開日2009年9月9日 申請(qǐng)日期2009年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月30日
發(fā)明者馮正和, 張志軍, 賈洪濤, 陳文華 申請(qǐng)人:清華大學(xué)