旋转凸体激光散射特性计算方法技术

一种旋转凸体激光散射特性计算方法，包括以下步骤：(1)给定目标的母线方程及取值范围以及入射角和接收角；(2)给定目标表面材料在所研究波长处的BRDF，及其五参数模型中的五个参数；(3)计算旋转凸体侧面的LRCS，即侧面的散射截面σ1；(4)利用上下底面的面积和法线，计算底面的散射截面σ2；(5)得到旋转凸体整体的散射截面σ＝σ1+σ2。本发明专利技术的优点是：针对旋转凸体这类目标，简化LRCS计算步骤，避免对目标进行几何建模的操作，提高了工作效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种，主要用于旋转凸体激光雷达散 射截面（LRCS)的计算，而LRCS的计算可应用于空间目标的跟踪、识别、隐身设计等领域。
技术介绍
计算目标LRCS的经典算法是，首先利用三维建模软件进行目标几何建模和面元 划分，然后经过坐标变换后，结合目标表面材料的光学特性，计算每个面元的LRCS，最后进 行叠加，获得目标总体的LRCS。该方法的优点在于其通用性，可以对任意复杂的目标进行 LRCS计算。然而，在空间目标中，有一类简单的目标，如圆锥、圆柱、钝头锥等旋转凸体，对于 该类目标，采用上述计算方法过于复杂，降低了工作效率。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种更为简单的LRCS计算方法，该方法避免了对目标进行 几何建模的操作，大大简化了计算步骤，提高了工作效率。 本专利技术的技术方案是：一种，其特征在于，包括以 下步骤： (1)给定目标的母线方程及取值范围以及入射角和接收角； (2)给定目标表面材料在所研究波长处的BRDF，及其五参数模型中的五个参数； (3)计算旋转凸体侧面的LRCS，即侧面的散射截面σ 1; (4)利用上下底面的面积和法线，计算底面的散射截面σ 2; (5)得到旋转凸体整体的散射截面σ = O1+〇2。 本专利技术的优点是：针对旋转凸体这类目标，简化LRCS计算步骤，避免对目标进行 几何建模的操作，提高了工作效率。【附图说明】 图1是本专利技术在目标坐标系内入射和散射角示意图； 图2是本专利技术在微元坐标系内的入射和接收角示意图； 图3Α和图3Β分别是圆锥的母线和立体图； 图4Α和图4Β分别是圆柱的母线和立体图； 图5Α和图5Β分别是旋转椭球的母线和立体图； 图6Α和图6Β分别是超椭球的母线和立体图； 图7是白色涂漆样片在1. 06微米波长，入射角分别为10、30、45和60度时的BRDF 值； 图8是圆锥形旋转凸体LRCS随散射角的变化曲线； 图9是圆柱形旋转凸体LRCS随散射角的变化曲线； 图10是旋转椭球LRCS随散射角的变化曲线；图11是超椭球的LRCS随散射角的变化曲线； 图12是基于三角面元和旋转凸体方法计算的LRCS比较图。【具体实施方式】 参见图1和图2,本专利技术一种，包括以下步骤： (1)给定目标的母线方程及取值范围以及入射角和接收角； (2)给定目标表面材料在所研究波长处的BRDF，即五参数模型中的五个参数； (3)利用（6)式计算旋转凸体侧面的LRCS，即侧面的散射截面σ 1; (4)利用上下底面的面积和法线，计算底面的散射截面σ 2; (5)得到旋转凸体整体的散射截面σ = 〇1+〇2。 基本的计算方法如下： 以ζ轴为旋转轴，母线方程为f (Z)。设激光入射天顶角为Θ i，入射方位角为科， 接收天顶角为Θ s，接收方位角为^，示意图如图1所示；入射和接收角在微元（ds)坐标系 内的示意图如图2所示。 母线y = f(z)绕z轴旋转一周所得曲面方程为x2+y2= f(z) 2,即： F(x，y，z) = x2+y2_f(z)2= 0 (I) 令Fx、匕和F 2分别为F (x，y，z)对x、y和z的偏导，则： Fx= 2x Fy= 2y (2) Fz= _2f (z) f' （z) 则法线为： 在微元坐标系下，入射方向为设/，O，散射方向为($，〇，微元面积dA = dxdz/ cos α，由LRCS与BRDF的关系可得此微元的LRCS为： 其中为材料表面的双向反射分布函 数（BRDF)，采用BRDF的五参数模型，并给出材料对应的其五个参数。五参数模型及五个参 数的定义与公告号CN103745055A的《一种基于光谱BRDF的空间目标可见光成像方法》中的 相同。不同材料不同波长对应着不同的五个参数，五参数的获取方法也为公开技术。本发 明的五参数与《一种基于光谱BRDF的空间目标可见光成像方法》不同只在于材料和波长， 五参数模型及五个参数的定义是相同的。 整个旋转凸体侧面的散射截面为：其中， 在（6)式中使用的是微元坐标系下的入射角和散射角，而已知的是目标坐标系下 的入射角和散射角，因此需要对其进行转换。对各向同性的材料，表面的散射特性与方位角 无关，因此（6)式中的可以简化为⑷?4:)，其中€ 为微元坐标 系内反射和入射方位角的差值。因此，仅需要求出微元坐标系下的奪，劣，?Τ就可以求得旋转 凸体侧面的LRCS。 在目标坐标系内入射和反射方向的单位矢量&和&分别为： 微元坐标系内的入射天顶角为Ii ,和的夹角，因此cosf = If 4，由此可以得到微 元坐标系内的入射天顶角： 同理得到微元坐标系内的反射天顶角： 微元坐标系下散射和入射方位角的差武为： 其中Normal表示对矢量进行单位化。 旋转凸体具有两个底面，如图1所示上底面的z坐标为Z1，下底面的z坐标为z。。 上底面的面积为f (Z1)2,法线为（0, 0, 1)，下底面的面积为π f (z。)2,法线为（〇, 〇, -1)。其 中，上下底面的散射截面可以直接应用（5)式计算。 图3-图14是利用本专利技术方法对四种旋转凸体进行计算的具体实施例。 下面是四种简单体圆锥、圆柱、旋转椭球和超椭球的母线方程和其导数的方程。在 图3~图6中给出了不同旋转凸体的母线示意图和利用公式（1)编程生成的立体图（此立 体图只是为了对母线的辅助说明，在计算LRCS时，不需要该立体图）。 1.圆锥 f (z) = z · tan α ，z e (12) ?' (z) = tan α 其中α为母线与z轴的夹角，h为圆锥的高。 2.圆柱 f(z) =C , z e (13) f' (z) = 0 其中c为圆柱底面半径。 3.旋转椭球 其中a和b分别是两个半轴的长度。 4.超椭球 其中，a和b分别是两个半轴的长度，μ为圆滑程度，取值1~2之间。 以白色涂漆样片为例，计算了 60度入射时，上述4种旋转凸体的LRCS。1.06μπι 激光入射时，白色涂漆样片的BRDF五参数模型的五参数值为kb= 5. 707, I= 2. 240, b =-58.72，& = 0.452，1^= 0.220，其在10、30、45和60度的81^^如图7所示。计算时， 对上述4种旋转凸体的参数设置如表1所示。计算结果如图8-图11所示，从图中可以看 出，圆锥、圆柱、超椭球的LRCS在300度处有一个很大的峰值，这是因为它们的上底面是一 个平面，且白色涂漆样片的BRDF具有较高镜像峰的原因（参见图8、9和11)。对旋转椭球 而言，其上表面的面积为0,因此不存在此镜像峰值（参见图10)。圆柱在120度时存在一 个小的峰值点，这是圆柱的侧面引起的（参见图9)。 表1.不同旋转凸体的参数设置CN 10bl840bb A ^ ^ Ij b/b 贝 对本专利技术计算方法的验证： 利用现有计算目标LRCS的经典算法计算表1的圆锥的LRCS，各种条件设置与本发 明旋转凸体计算时选择一样。由图12中可以看出，两种方法的计算结果完全相同。对简单 的旋转凸体而言，使用旋转凸体算法进行计算可以避免对模型进行建模，而对复杂目标和 多目标的散射计算时，本专利技术的旋转凸体算法就无法处理，需要使用基于三角面元的算法。【主权项】1. 一种，其特征在于，包括本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种旋转凸体激光散射特性计算方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)给定目标的母线方程及取值范围以及入射角和接收角；(2)给定目标表面材料在所研究波长处的BRDF，及其五参数模型中的五个参数；(3)计算旋转凸体侧面的LRCS，即侧面的散射截面σ1；(4)利用上下底面的面积和法线，计算底面的散射截面σ2；(5)得到旋转凸体整体的散射截面σ＝σ1+σ2。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：曹运华，白璐，李海英，吴振森，李正军，张耿，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61