一种针对多层遮盖介质的亮温成像方法

1.本发明辐射发射技术领域，具体涉及一种针对多层遮盖介质的亮温成像方法。


背景技术：

2.被动毫米波成像模拟是被动毫米波成像领域里一项重要的环节，它可以帮助认识目标的辐射特性，解释辐射现象，寻找辐射规律以及判断实际测量结果的优劣。以上所述优点使得毫米波成像模拟近年来愈加受到重视。
3.现有技术中对于亮温成像的研究大部分都集中于单层遮盖介质，而对于多层遮盖介质下的亮温成像则鲜有提及。由于传统的透射模型未考虑真实透射中的全反射，在计算透射率选取的积分面积时，将整个下半球面加入计算，造成计算的透射率存在误差，从而影响了整个层次透射模拟成像的准确度。因此，亟需针对多层遮盖介质提出一种新型的透射模型，来得到更加精准的亮温矩阵。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明提出了一种针对多层遮盖介质的亮温成像方法，对下层射线进行筛选，然后再计算遮盖层下层透射率，得到新的投射模型，提高亮温成像准确度。
5.一种针对多层遮盖介质的亮温成像方法，具体包括以下步骤：
6.步骤一、使用gmsh软件进行物理建模，得到单位球模型。
7.步骤二、利用gmsh软件对步骤一得到的单位球模型表面进行2d剖分，剖分单元选择三角形。
8.步骤三、将步骤二剖分得到每个三角形单元的中心点与单位球模型的球心连接，球心到中心点的方向即为散射方向，根据三角函数关系计算得到散射角，并剔除遮盖层上层射线。
9.步骤四、利用gmsh建立遮盖场景双层模型，待测物处于单位球模型下层。根据遮盖场景的物理参数，计算发生全反射的折射角大小。
10.步骤五、将遮盖层下层射线中散射角大于折射角的射线剔除。
11.步骤六、先找出单条射线的散射角与双向透射散射系数的变化关系，根据双基散射系数的大小对射线进行增密处理，令双基散射系数值越大的位置射线密度越高，增密后的射线数量与步骤五剔除前中的下层射线数量一致。
12.步骤七、使用步骤六增密后得到的透射模型进行射线追踪以及亮温反演，得到的亮温矩阵，输出亮温成像结果。
13.本发明具有以下有益效果：
14.对传统投射模型中的下层射线进行筛选、增密，减少了折射角范围外射线的追踪、亮温计算，提高了模拟成像的效率。并且得到的透射模型更加符合实际，大幅提升被动毫米波成像的精确度。
附图说明
15.图1为经过2d剖分后的单位球模型示意图；
16.图2为遮盖场景双层模型示意图；
17.图3为粗糙面透射示意图；
18.图4(a)、4(b)分别为vv极化和hh极化归一化后双向透射散射系数随散射角的变化图；
19.图5(a)、5(b)分别为vv极化和hh极化归一化后双向透射散射系数在折射角区域内随散射角的变化图；
20.图6为多层介质粗糙面单条射线亮温追踪模型；
21.图7为多层介质粗糙面的单条射线亮温反演模型；
22.图8(a)、图8(b)分别为传统模型的垂直极化亮温图像和平行极化亮温图像；
23.图9(a)、图9(b)分别为改进透射模型的垂直极化亮温图像和平行极化亮温图像；
24.图10为传统模型和改进模型随射线数变化相对误差的变化图像；
25.图11为传统模型和改进模型随计算时间变化相对误差的变化图像。
具体实施方式
26.以下结合附图对本发明作进一步的解释说明；
27.一种针对多层遮盖介质的亮温成像方法，具体包括以下步骤：
28.步骤一、使用gmsh软件进行物理建模，得到单位球模型。
29.步骤二、利用gmsh软件对步骤一得到的单位球模型表面进行2d剖分，剖分单元选择三角形，剖分结果如图1所示。
30.步骤三、将步骤二剖分得到每个三角形单元的中心点与单位球模型的球心连接，球心到中心点的方向即为散射方向。以单位球模型的球心为原点建立三维直角坐标系，三角形单元的中心点坐标为(x,y,z)，根据三角函数关系计算散射角的俯仰角为θs和方位角为
31.θs＝cosz
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0032][0033]
然后选择z《0部分的射线，剔除遮盖层上层射线。
[0034]
步骤四、利用gmsh建立遮盖场景双层模型，待测物处于单位球模型下层，如图2所示。确定遮盖场景中不同介质的波数，根据斯涅耳定律计算发生全反射的折射角大小θ
t
：
[0035][0036]
其中，θi为入射波的俯仰角，k1和k2分别为介质一和介质二的波数。
[0037]
步骤五、在被动毫米波模拟成像反演过程中，射线是由介质射入空气，即光密到光疏，因此需要考虑全反射的情况。当入射角小于临界角即折射角时，会发生全反射。因而，在射线追踪过程中，遮盖层下层射线中散射角大于折射角的透射射线将不再进行追踪。
[0038]
步骤六、利用基尔霍夫驻留相位近似法研究粗糙面的透射。透射示意图如图3所示。对于多层介质粗糙面模型，下层总亮温需要将下层各个方向射线的亮温分别与其对应
的透射系数的积累加计算得到。透射系数计算方法为：
[0039][0040]
其中，表示各个方向到的透射系数，pq∈{hh，hv，vh，vv}，pp∈{hh，vv}。θs为透射波的俯仰角，为透射波的方位角，为入射波的方位角，n为俯仰角均分份数，m为方位角均分份数。
[0041]
根据驻留相位近似法，在介质二中不同极化方式下的双向透射散射系数σ
pqt
可以表示为
[0042][0043]
其中，η1和η2分别为介质一和介质二的阻抗，σ为粗糙面的均方根高度，ρ”(0)为粗糙面的起伏自相关函数在原点处的二阶微商，和分别为相位因子及其在x,y,z轴方向的相位分量：
[0044][0045]
因为此处的粗糙面都考虑为高斯粗糙面，因此：
[0046][0047]
其中l为粗糙面相关长度。
[0048]dpq
是与极化方式相关的系数：
[0049][0050]
其中：
[0051][0052][0053][0054]
为散射方向的单位矢量，为入射方向的单位矢量，是散射水平波的单位极化分量，是散射垂直波的单位极化分量，是入射水平波的单位极化分量，是入射垂直波的单位极化分量，z
x
和zy分别表示粗糙面在x轴方向和y轴方向的均方根斜度，t
//0
和t
⊥0分别表示垂直极化和平行极化下的零阶透射系数。t
//1
和t
⊥1则表示两种极化下的一阶透射系数。r
//0
、r
⊥0、r
//1
和r
⊥1表示两种极化下的零阶和一阶反射系数。
[0055]
在辐射计所有的发射射线中，取任意单根射线进行算例分析。入射频率为a hz、入射角度θ1，粗糙面复介电常数为ε的条件下，对双向透射散射系数σ
pqt
进行归一化处理σo＝10logσ
pqt
，得到在两种极化方式下，不同入射角，σ0随散射角θs的变化曲线，如图4(a)、4(b)所示，其中4(a)为vv极化，4(b)为hh极化。由图可知，当散射角θs小于折射角θ
t
时，σ0随θs增大而增大，当θs大于折射角θ
t
，σ0随θs增大而减小，当散射角θs等于折射角θ
t
处取得极大值。进一步计算后得到散射角小于折射角时双向透射散射系数的变化曲线，如图5(a)、5(b)。
[0056]
根据单条射线的散射角与双向透射散射系数的变化关系，对射线进行自适应增密，使射线疏密程度与双基散射系数的大小呈正相关，即系数值越大处射线越密，增密后的射线数量与步骤五剔除前的下层射线数量一致。
[0057]
步骤七、图6为多层介质粗糙面单条射线追踪模型，图7为多层介质粗糙面单条射线亮温反演模型。分别使用步骤六增密后得到的透射模型和原有的透射模型进行射线追踪以及亮温反演，得到的亮温矩阵，并且与实测值进行比较，原有模型的垂直极化亮温图像和平行极化亮温图像如图8(a)、图8(b)所示，改进透射模型的垂直极化亮温图像和平行极化亮温图像如图9(a)、图9(b)所示。在测试遮盖场景遮盖物上，方位角俯仰角θ＝3
°
为处，分别取得两者不同俯仰角的亮温值，将其与实际测量值对比构成相对误差图，如图10所示。通过观察图可知，随着射线数的增加，两种模型的相对误差值都在逐渐减小，改进模型相较于传统模型在不增加下层射线数的前提下，模拟成像所得到的亮温误差更小，能有效提升模拟成像的精确度。进一步，得到两种模型随着相对误差变化计算时间的对比图，如图11所示，在控制相对误差一定的前提下，改进模型能够大大减少射线数，从而提高计算效率。