一种动态散射回波仿真方法以及相关装置

1.本发明属于目标检测领域，尤其是涉及一种动态散射回波仿真方法以及相关装置。


背景技术：

2.在不同交会状态下，目标近场散射特性的不同，必然影响到探测器雷达天线对目标的探测能力，因此，除依赖先进的信号处理手段外，对近场散射回波数据的获取与研究分析可为雷达目标近场探测能力的优化提供重要的数据来源和技术支撑。单纯用实验方法测量目标的回波数据是远远不够的，因为目标的近场特性测试受测试条件、环境、极化、目标姿态及定位精度等的影响较大，致使测量成本极高，测量误差较大，重复性也不够理想，尤其对于非合作目标的电磁散射特性难以通过实测数据获取。
3.目前，弹目交会过程中的天线近场回波数据的获取主要有两种途径：一是采用实验测量的方法，二是采用计算机仿真技术，当前的计算机仿真主要采用频域电磁散射方法，基于远场雷达散射截面(rcs)或散射系数结合发射脉冲信号生成回波。采用实验测量的方法，需要测量的数据量大、成本高和难以达到实时性要求，特别是非合作目标的数据获取难度大。基于频域电磁散射方法的计算机仿真技术多是采用远场rcs或散射系数结合发射脉冲信号生成回波，但rcs和散射系数为目标的远场散射特性，缺乏近场散射信息，且rcs和散射系数中丢失了相位信息，另外对于宽带脉冲信号，单频点的rcs和散射系数不足以体现宽带特征，造成目标的近场回波建模不精确。


技术实现要素：

4.本技术提供一种动态散射回波仿真方法以及相关装置，其能够快速、准确获取引信动态散射回波。
5.第一方面，本技术提供一种动态散射回波仿真方法，包括：确定每一运动时刻探测器与被探测目标的位置信息；基于所述位置信息确定每一运动时刻所述探测器接收到的散射场；基于每一运动时刻对应的所述散射场得到所述探测器接收到的动态散射回波。
6.其中，所述确定每一运动时刻探测器与被探测目标的位置信息的步骤，包括：基于所述探测器的运动参数确定所述探测器的运动时间；对所述运动时间进行采样，得到多个运动时刻。
7.其中，所述运动参数包括路径参数和速度参数；所述基于所述探测器的运动参数确定所述探测器的运动时间的步骤，包括：基于所述探测器的路径参数确定所述探测器的运动路程；基于所述运动路程以及所述速度参数确定所述运动时间。
8.其中，所述基于所述位置信息确定每一运动时刻所述探测器接收到的散射场的步骤，包括：基于每一运动时刻对应的所述被探测目标的位置信息确定所述运动时刻下，每一三角面元的顶点坐标；所述被探测目标包括多个三角面元；基于所述三角面元的顶点坐标以及探测器的位置信息确定所述三角面元与所述探测器之间的距离；利用所述近场散射仿
真方法基于所述距离确定每一三角面元对应的散射场；基于每一三角面元对应的散射场得到每一运动时刻对应的所述散射场。
9.其中，所述利用所述近场散射仿真方法基于所述距离确定所述散射场的步骤，包括：利用格林函数对所述探测器的方向图进行处理，并转换为频域表达形式，得到频域辐射场；基于所述频域辐射场确定所述探测器对应的时域辐射场；基于所述时域辐射场确定所述散射场。
10.其中，所述基于所述频域辐射场确定所述探测器对应的时域辐射场的步骤，包括：利用逆傅里叶变换函数对所述频域辐射场进行处理，得到冲击响应函数；对所述冲击响应函数与激励脉冲进行卷积,得到所述时域辐射场。
11.其中，所述基于所述时域辐射场确定所述散射场的步骤，包括：
12.利用近场时域弹跳射线方法基于所述时域辐射场确定所述散射场。
13.第二方面，本技术提供一种动态散射回波仿真装置，包括：位置确定模块，用于确定每一运动时刻探测器与被探测目标的位置信息；散射场确定模块，用于基于所述位置信息确定每一运动时刻所述探测器接收到的散射场；动态散射回波确定模块，用于基于每一运动时刻对应的所述散射场得到所述探测器接收到的动态散射回波。
14.第三方面，本技术提供一种电子设备，包括相互藕接的处理器以及存储器，其中，所述存储器用于存储实现上述任一项所述的方法的程序指令；所述处理器用于执行所述存储器存储的所述程序指令。
15.第四方面，本技术提供一种计算机可读存储介质，其特征在于，存储有程序文件，所述程序文件能够被执行以实现上述任一项所述的方法。
16.本发明的有益效果，区别于现有技术的情况，本发明的动态散射回波仿真方法包括：确定每一运动时刻探测器与被探测目标的位置信息；基于所述位置信息确定每一运动时刻所述探测器接收到的散射场；基于每一运动时刻对应的所述散射场得到所述探测器接收到的动态散射回波。该方法能够快速、准确获取引信动态散射回波。
附图说明
17.图1为本发明动态散射回波仿真方法的第一实施例的流程示意图；
18.图2为探测器与被探测目标的示意图；
19.图3为脉冲信号发射至面元的一实施例的示意图；
20.图4为脉冲信号发射至面元的另一实施例的示意图；
21.图5为本发明动态散射回波仿真装置的第一实施例的结构示意图；
22.图6为本发明电子设备的一实施例的结构示意图；
23.图7为本发明计算机可读存储介质的一实施例的结构示意图。
24.具体实施方法
25.为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对本发明进行详细说明。有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。
26.随着计算电磁学和计算机技术的发展，电磁散射仿真已成为获取目标雷达特征信息的重要途径，通过计算机仿真目标雷达回波，可以获得大量具有参考价值的数据，电磁散射仿真算法考虑了电磁波与目标之间的相互作用机理，基于电磁散射模型获得的目标回波数据是目前最接近实测雷达回波数据的，这种精确的回波模拟算法克服了实验测量数据不足的缺点，且成本低廉，时效性强。有鉴于此，本技术提供一种动态散射回波仿真方法，具体请参见图1，图1为本发明动态散射回波仿真方法的第一实施例的流程示意图，具体包括：
27.步骤s11：确定每一运动时刻探测器与被探测目标的位置信息。
28.具体的，请参见图2，以探测器为导弹为例进行说明，导弹上具有引信，引信中安装有天线。探测器在向被探测目标运动时，天线朝被探测目标发射脉冲信号，被探测目标接收到脉冲信号后，会发生散射，探测器接收到散射回的信号，该散射回的信号被称为散射回波。
29.本实施例中，先确定每一运动时刻探测器与被探测目标的位置信息。具体的，首先基于探测器的运动参数确定探测器的运动时间，对运动时间进行采样，得到多个运动时刻，进而确定每一运动时刻下，探测器与被探测目标的位置信息。
30.在一实施例中，运动参数包括路径参数和速度参数，路径参数即为探测器的运动路径，其包括探测器从初始位置运动到终止位置的路线，速度参数即为探测器的运动速度，基于探测器的路径参数可以确定探测器的运动路程，进一步基于运动路程以及速度参数确定探测器的运动时间，该运动时间即为探测器从初始位置运动到终止位置所用的时间。在一具体实施例中，运动路程除以速度参数即可得到探测器的运动时间。
31.对该运动时间进行采样，得到多个运动时刻。具体的，对该运动时间进行离散采样，得到多个运动时刻，计算每个运动时刻下，探测器与被探测目标的位置信息。假设该运动时间为10s，则对运动时间进行离散采样，将10s分为10个运动时刻，计算这10个运动时刻下，探测器与被探测目标的位置信息。
32.步骤s12：基于所述位置信息确定每一运动时刻所述探测器接收到的散射场。
33.具体的，基于每一运动时刻对应的所述位置信息确定所述运动时刻下，所述被探测目标上每一三角面元与所述探测器之间的距离；利用所述近场散射仿真方法基于所述距离确定所述散射场。
34.考虑到实际近场计算中的天线照射情况，针对天线波束入射下的射线追踪问题，本技术提出了一种基于等效镜像源的射线追踪技术，将电磁波在目标表面的反射场等效为镜像源天线的辐射场，可以有效避免传统tdpo算法中复杂的时间延迟问题。
35.具体地，请结合图3，p0处的天线波束照射到面元t0上，其反射场又照射到面元t1上，根据天线辐射场表达式，可以得到面元t0上的入射场为：
[0036][0037]
其中r0为t0的中心，ρ0为天线到t0中心的距离。
[0038]
根据菲涅尔反射定律，t0上的反射场可以写为：
[0039][0040][0041]
进一步，反射场在面元t1上值可以写为：
[0042][0043]
其中r1为面元t1的中心，ρ1为p1到r1的距离。由此可以得到，面元t1的入射场可以写为p1处的镜像天线的辐射场。以此类推，射线路径上的每一个面元的入射场都来自于等效镜像源天线的辐射场，这些等效镜像源天线都直接或间接来自于真实天线源的镜像。
[0044]
对于射线路径上第m个面元tm，其入射场可以写为：
[0045][0046][0047]rm
为面元tm上任一点位置矢量，为pm指向rm的单位方向矢量，ρm为pm至rm的距离。
[0048]
采用nftdpo算法(近场时域物理光学方法)计算tm面元的散射场可以得到：
[0049][0050][0051][0052]rmn
为面元中心，ρ
mn
和分别为天线到面元中心的距离和方向，
[0053]
在射线追踪过程中，随着弹跳次数增多，等效镜像源到面元的距离逐渐增大，射线管的面积逐渐增大，因此照射到的三角面元也会增多，为了准确找到所有被照射的三角面元，本发明提出了点源双向射线追踪技术。点源双向射线追踪技术的主要实现过程包括前向追踪过程和后向追踪过程。请参见图4，前向追踪过程：假设编号为0的面元被位于p0点的天线辐射场所照亮，p1点为p0点的镜像点，由p1点和面元0的中心确定前向射线(forward ray)，前向射线的起点为p1，方向为p1指向面元0的中心，然后利用射线与目标的求交方法获
得前向射线所照射到的编号为7的面元。后向追踪过程：利用前向射线追踪找到被照亮的面元7后，还需要判断面元7的邻边三角形(6、8、13)是否被照亮，以面元13为例，后向射线(backward ray)由面元13的中心和p1点确定，射线的起点为面元13的中心，方向为面元13的中心指向p1，同样采用射线与目标的求交方法判断后向射线是否与面元0相交且不被遮挡，假如是，则认为面元13被照亮，否则即舍弃该面元。然后再继续判断被照亮三角形的邻边三角形是否在被照亮区域，直到出现不在照亮区的三角形为止。
[0054]
可以理解的，需要将被探测目标分为多个三角面元，计算每一三角面元对应的散射场，被探测目标的散射场即为所有面源的散射场的矢量叠加。
[0055]
在一实施例中，由于nftdpo算法采用了面元局部格林函数近似，对于固定的目标网格模型，随着引信与目标的距离的变化，网格尺寸有时不满足远场判据要求，此时需要在算法计算过程中对亮区三角面元进行自适应细分以达到远场近似要求。
[0056]
步骤1：首先基于面元自遮挡判断得到物理光学亮区三角形，构建存储这些三角形编号的容器，同时申请空的三角形容器存储接下来的细分三角形。
[0057]
步骤2：从亮区三角形容器中读取三角形，计算面元到天线的距离，这里距离取观察点到三角形上所有点距离的最小值。
[0058]
步骤3：计算三角形的最长边长，并根据边长和最小电磁波长计算对应的最小远场距离范围。
[0059]
步骤4：判断最小远场距离范围是否满足远场判据，如果满足则存储该三角形到细分角形容器，否则把该三角形一分为二，并把细分后的两个子三角形存储到三角形容器最后。
[0060]
步骤5：重复步骤2操作直至缓冲区为空。
[0061]
需要说明的是，将当前时刻下，被探测目标分为多个三角面元，计算出每一三角面源的散射场，然后将多个三角面元的散射场矢量叠加，进而得到当前时刻下被探测目标的散射场。
[0062]
在一具体实施例中，首先基于每一运动时刻对应的所述被探测目标的位置信息确定所述运动时刻下，每一三角面元的顶点坐标；所述被探测目标包括多个三角面元；基于所述三角面元的顶点坐标以及探测器的位置信息确定所述三角面元与所述探测器之间的距离；利用所述近场散射仿真方法基于所述距离确定每一三角面元对应的散射场；基于每一三角面元对应的散射场得到每一运动时刻对应的所述散射场。
[0063]
在一实施例中，所述利用所述近场散射仿真方法基于所述距离确定所述散射场的步骤，包括：利用格林函数对所述探测器的方向图进行处理，并转换为频域表达形式，得到频域辐射场；基于所述频域辐射场确定所述探测器对应的时域辐射场；基于所述时域辐射场确定所述散射场。
[0064]
具体的，基于所述频域辐射场确定所述探测器对应的时域辐射场的步骤，包括：利用逆傅里叶变换函数对所述频域辐射场进行处理，得到冲击响应函数；对所述冲击响应函数与激励脉冲进行卷积,得到所述时域辐射场。
[0065]
具体的，所述基于所述时域辐射场确定所述散射场的步骤，包括：利用近场时域弹跳射线方法基于所述时域辐射场确定所述散射场。
[0066]
在一实施例中，采用nftdpo计算目标的散射场时，首先需要确定目标的入射场，目
标的入射场即是天线的辐射场，通常天线的辐射场是通过天线方向图结合格林函数以频域表达式给出的，天线的频域辐射场可以看成是天线辐射系统的频率响应函数，对天线的频域辐射场作逆傅里叶变换可以得到天线的冲击响应函数，天线的时域辐射场可以通过天线冲击响应函数与激励脉冲的卷积得到。
[0067]
首先给出天线的频域辐射场表达式：
[0068][0069]
其中η是天线所在空间的波阻抗，k为波数，是天线的矢量电流矩，ρ为天线到辐射场点(面元)的距离。
[0070]
对于输入为任意的频域脉冲信号p(t)时，天线的时域辐射场即为天线的系统响应，其表达式可以写为：
[0071][0072]
其中δ为冲击函数，“*”代表卷积运算。
[0073]
为了提高近场积分效率，采用面元局部格林函数近似对近场积分进行远场近似处理，在满足一定误差允许范围内，通过近场时域弹跳射线方法可以将nftdpo积分简化为闭合表达式。最终获得的散射场表达式为：
[0074][0075][0076][0077]
ρn和分别为天线到面元中心的距离和方向，rn和分别为面元中心到散射场点的距离和方向，δvi＝v
i+1-vi，β是ω在积分平面上的投影，vi为积分平面的顶点。
[0078]
物理光学方法只能计算目标上被电磁波初次照射到的区域的散射场，对于具有二面角、三面角和腔体结构的复杂目标，其上存在复杂的多次反射现象，采用物理光学方法无法满足计算精度要求，本技术考虑到多次反射的散射场贡献，在nftdpo算法的基础上提出近场时域弹跳射线算法nftdsbr，近场时域弹跳射线算法nftdsbr与现有技术中相同，在此
不再赘述。
[0079]
步骤s13：基于每一运动时刻对应的所述散射场得到所述探测器接收到的动态散射回波。
[0080]
通过上述步骤s11以及步骤s12得到了每一运动时刻对应的散射场，将每一运动时刻对应的散射场连接，即可得到探测器接收到的动态散射回波。
[0081]
本发明考虑到真实弹目交会场景中引信发射的时域脉冲，提出了基于电磁散射机理的时域近场电磁散射方法模拟散射回波数据，可以获得更加接近于测量数据的目标散射回波，基于该电磁散射算法结合准静态思想建立了弹目交会段引信动态回波信号仿真模型，鉴于实验测量成本高、测量数据缺乏，特别是非合作目标数据获取难度大的现实问题，该发明可作为一种快速、准确获取目标近场动态回波的替代方法，该方法可用于快速建立指定目标的引信近场回波数据库，为制导武器引信系统设计、性能分析和引信近场探测能力的优化等提供数据基础和技术支撑。
[0082]
请参见图5，为本发明动态散射回波仿真装置的一实施例的结构示意图，具体包括：位置确定模块51、散射场确定模块52以及动态散射回波确定模块53。
[0083]
其中，位置确定模块51用于确定每一运动时刻探测器与被探测目标的位置信息。具体的，位置确定模块51基于所述探测器的运动参数确定所述探测器的运动时间；对所述运动时间进行采样，得到多个运动时刻。具体的，所述运动参数包括路径参数和速度参数；位置确定模块51基于所述探测器的路径参数确定所述探测器的运动路程；基于所述运动路程以及所述速度参数确定所述运动时间。
[0084]
散射场确定模块52用于基于所述位置信息确定每一运动时刻所述探测器接收到的散射场。具体的，散射场确定模块52基于每一运动时刻对应的所述位置信息确定所述运动时刻下，所述被探测目标上每一三角面元与所述探测器之间的距离；利用所述近场散射仿真方法基于所述距离确定每一三角面元对应的散射场；基于每一三角面元对应的散射场得到每一运动时刻对应的所述散射场。散射场确定模块52利用格林函数对所述探测器的方向图进行处理，并转换为频域表达形式，得到频域辐射场；基于所述频域辐射场确定所述探测器对应的时域辐射场；基于所述时域辐射场确定所述散射场。散射场确定模块52利用逆傅里叶变换函数对所述频域辐射场进行处理，得到冲击响应函数；对所述冲击响应函数与激励脉冲进行卷积,得到所述时域辐射场。散射场确定模块52利用近场时域弹跳射线方法基于所述时域辐射场确定所述散射场。
[0085]
动态散射回波确定模块53用于基于每一运动时刻对应的所述散射场得到所述探测器接收到的动态散射回波。
[0086]
请参见图6，为本发明电子设备的一实施例的结构示意图。电子设备包括相互连接的存储器82和处理器81。
[0087]
存储器82用于存储实现上述任意一项的方法的程序指令。
[0088]
处理器81用于执行存储器82存储的程序指令。
[0089]
其中，处理器81还可以称为cpu(central processing unit，中央处理单元)。处理器81可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。处理器81还可以是通用处理器、数字信号处理器(dsp)、专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(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。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。
[0090]
存储器82可以为内存条、tf卡等，可以存储电子设备中全部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中。它根据控制器指定的位置存入和取出信息。有了存储器，电子设备才有记忆功能，才能保证正常工作。电子设备的存储器按用途存储器可分为主存储器(内存)和辅助存储器(外存)，也有分为外部存储器和内部存储器的分类方法。外存通常是磁性介质或光盘等，能长期保存信息。内存指主板上的存储部件，用来存放当前正在执行的数据和程序，但仅用于暂时存放程序和数据，关闭电源或断电，数据会丢失。
[0091]
在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的方法和装置，可以通过其它的方法实现。例如，以上所描述的装置实施方法仅仅是示意性的，例如，模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方法，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
[0092]
作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施方法方案的目的。
[0093]
另外，在本技术各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
[0094]
集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本技术的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，系统服务器，或者网络设备等)或处理器(processor)执行本技术各个实施方法的全部或部分步骤。
[0095]
请参阅图7，为本发明计算机可读存储介质的结构示意图。本技术的存储介质存储有能够实现上述所有方法的程序文件91，其中，该程序文件91可以以软件产品的形式存储在上述存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或处理器(processor)执行本技术各个实施方法的全部或部分步骤。而前述的存储装置包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质，或者是计算机、服务器、手机、平板等终端设备。
[0096]
以上仅为本发明的实施方法，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。