基于时域弹跳射线法快速近场计算的ISAR成像仿真方法技术

本发明专利技术涉及一种基于时域弹跳射线法快速近场计算的ISAR成像仿真方法，包含：S1、给定目标的三角面片模型和瞬态入射场，该瞬态入射场为任意一种时域波形；S2、采用时域弹跳射线法的近场计算方法，计算时域平面波照射到目标三角面片模型时的瞬态近场散射回波；S3、对目标的瞬态近场散射回波，根据入射信号在频域进行归一化处理；S4、根据ISAR成像分辨率所需角度宽度及采样密度重复执行S2～S3，得到所取角度采样下的回波数据，进行方位向聚焦处理，得到目标ISAR图像。本发明专利技术可模拟真实的窄脉冲宽带雷达近距离成像探测，计算速度快，计算精度高，适用范围广，可为目标近场散射成像诊断提供预估数据，节省成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种ISAR成像仿真方法，具体是指一种基于时域弹跳射线法快速近场计算的ISAR成像仿真方法，属于电磁场计算及其应用领域。
技术介绍
近场ISAR(InverseSyntheticApertureRadar，逆合成孔径雷达)成像仿真技术在目标散射特性诊断、近距离探测识别等领域具有重要作用。时域电磁算法可以模拟宽带脉冲与目标的相互作用，与频域电磁算法相比，具有更快的宽带回波计算速度，也更接近脉冲雷达探测的实际情况。而时域弹跳射线法(TD-SBR)是一种有效的时域高频近似电磁算法，它在时域框架下实现多次弹跳射线追踪和物理光学(PhysicalOptics，PO)场计算，适用于电大尺寸目标宽带电磁散射回波的快速预估。基于面元远场格林函数近似技术，在确保所有观察点均处于面元的远场时，使用时域物理光学积分的近场闭合表达式，可实现TD-SBR快速近场计算。使用TD-SBR快速近场算法模拟目标ISAR成像，可为目标近场成像诊断提供预估判断，也可模拟传感器近场探测过程，具有重要的应用价值。现有技术中，已有论文介绍时域射线追踪技术、近场物理光学积分方法、以及时域物理光学积分方法，但是未能组成实用的近场时域射线追踪技术，用于解决电大尺寸目标的近场成像诊断、近场探测识别等应用场景。另外，关于ISAR成像仿真，申请号为200910087133.6的专利《一种三维复杂目标的合成孔径雷达图像仿真方法》，描述了传统的频域远场SBR算法用于三维SAR成像仿真的过程。而申请号为201510627908.X的专利《一种扫描状态下船舶导航雷达二维回波序列像仿真方法》，只着重于描述SAR成像信号的处理算法，对于回波信号的获取则没有涉及；申请号为201510377077.5的专利《一种舰船ISAR图像结构特征提取方法》对于回波信号的获取，仅介绍了使用点散射模型进行仿真的方法。因此，目前尚未有任何基于时域近场电磁散射算法的ISAR成像仿真方法的研究内容或分析报告。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于时域弹跳射线法快速近场计算的ISAR成像仿真方法，可模拟真实的窄脉冲宽带雷达近距离成像探测，计算速度快，计算精度高，适用范围广，可为目标近场散射成像诊断提供预估数据，节省成本。为了达到上述目的，本专利技术提供一种基于时域弹跳射线法快速近场计算的ISAR成像仿真方法，通过将时域弹跳射线法的近场计算方法与时域近场成像方法相结合，形成可模拟时域波形入射情形和近场接收情形的ISAR成像仿真；包含以下步骤：S1、给定目标的三角面片模型和瞬态入射场；其中，所述的三角面片模型用于描述目标的几何外形；所述的瞬态入射场为任意一种时域波形；S2、采用时域弹跳射线法的近场计算方法，计算S1中的时域平面波照射到S1中的目标三角面片模型时的瞬态近场散射回波，包含：S21、采用射线追踪技术寻找光线弹跳路径，得到物理光学亮区；S22、当物理光学亮区的三角面片尺寸不满足远场条件时，对物理光学亮区进行三角面片细分处理，直至满足远场条件；S23、采用时域物理光学的近场计算公式确定瞬态散射场；S3、一维距离像处理，对目标的瞬态近场散射回波，根据入射信号在频域进行归一化处理；S4、方位向聚焦处理，根据ISAR成像分辨率所需角度宽度及采样密度重复执行S2～S3，得到所取角度采样下的回波数据，进行方位向聚焦处理，得到目标ISAR图像。所述的S1中，瞬态入射场选取时域高斯脉冲。所述的时域高斯脉冲为：其中，ω＝2πf0，t0＝0.8τ，f0是中心频率，τ为常数。所述的S21中，具体包含以下步骤：将S1中选取的时域高斯脉冲的平面波照射在S1中的目标三角面片模型上，在与入射方向垂直的平面上设置入射口径；设置入射光束，在光束与目标的每一次交点处计算时域光学场，直到光束逃逸出目标区域，得到光线弹跳路径，以及需要进行物理光学积分的三角面片，即物理光学亮区。所述的S21中，入射口径的大小为目标在入射口径面上的投影的1.2倍至1.5倍。所述的S22中，具体包含以下步骤：判断物理光学亮区的三角面片尺寸是否满足远场条件的原则是：其中，D为三角面片的最大线度，rff为该三角面片对应的远场条件，λ为入射波长；判断三角面片的中心与观察点间的距离r是否大于rff；当r＞rff时，表示PO亮区的三角面片尺寸满足远场条件；当r≤rff时，表示PO亮区的三角面片尺寸不满足远场条件，此时对PO亮区进行三角面片细分处理，直至满足远场条件，确保所有观察点均处于面元的远场。所述的S23中，基于面元远场格林函数近似技术，在确保所有观察点均处于面元的远场时，使用时域物理光学积分的近场闭合表达式，实现时域弹跳射线法的快速近场计算；具体包含以下步骤：表示场点，表示源点，表示源点到场点的距离；其中，且时域物理光学应用于时域弹跳射线法的近场射线的积分公式为：其中，c是真空中光速，是散射波的归一化矢量，是射线第M次弹跳后形成的入射波归一化矢量，是射线第M次弹跳后形成的入射波的归一化极化方向，为源点处的外法向单位矢量，OM-1是OM相对于三角面片所在平面的镜像点，O0是初始入射点；函数W(t)的表达式为：其中，ΔS为出射三角形面积，为该三角面片的法相矢量，δ是冲击函数，δ'为其导数，Iμ(t)为三角面片的第μ条边的散射贡献，表达式为：其中，td是入射平面波的波前到达坐标原点O的时间，ε是阶跃函数；根据高频近似原理，计算所有PO亮区的三角面片积分的矢量和，即确定目标的总瞬态散射场，从而计算得到目标的瞬态近场散射回波数据。所述的S3中，取f＝2/τ作为时域高斯脉冲的频宽，得到一维距离像的最小分辨率为：所述的S4中，具体包含以下步骤：设置方位向分辨率为ρx，且令方位向分辨率与距离向分辨率相等，即ρx＝ρr，则ISAR成像所需的角度宽度为：根据目标区域大小确定方位向采样密度，重复执行S2～S3，得到所有角度采样下的回波数据，进行方位向聚焦处理，得到目标ISAR图像。综上所述，本专利技术提供的基于时域弹跳射线法快速近场计算的ISAR成像仿真方法，具有以下优点和有益效果：能够模拟真实的窄脉冲宽带雷达近距离成像探测，为雷达设计提供参考参数，适用于电大尺寸目标电磁散射特性近场成像诊断预估，也可模拟雷达近距离成像探测识别过程，具有计算速度快、计算精度高、适用范围广等特点，可为目标近场散射成像诊断提供预估数据，节省成本。附图说明图1为本专利技术中的基于时域弹跳射线法快速近场计算的ISAR成像仿真方法的流程图；图2A为本专利技术中的某目标的三角面片模型示意图；图2B为本专利技术中的该目标前视方向入射时自动射线追踪得到的PO亮区分布示意图；图3为本专利技术中的TD-PO积分式中相关矢量的示意图。具体实施方式以下结合图1～图3，详细说明本专利技术的优选实施例。如图1所示，为本专利技术所述的基于时域弹跳射线法快速近场计算的ISAR成像仿真方法，通过将时域弹跳射线法(TD-SBR)的近场计算方法与时域近场成像方法相结合，形成可模拟时域波形入射情形和近场接收情形的ISAR成像仿真方法；包含以下步骤：S1、给定目标的三角面片模型和瞬态入射场；其中，如图2A所示，所述的三角面片模型用于描述目标的几何外形；所述的瞬态入射场为任意一种时域波形；S2、采用TD-SBR近场计算方法，与传统的频域S本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于时域弹跳射线法快速近场计算的ISAR成像仿真方法，其特征在于，通过将时域弹跳射线法的近场计算方法与时域近场成像方法相结合，形成可模拟时域波形入射情形和近场接收情形的ISAR成像仿真；包含以下步骤：S1、给定目标的三角面片模型和瞬态入射场；其中，所述的三角面片模型用于描述目标的几何外形；所述的瞬态入射场为任意一种时域波形；S2、采用时域弹跳射线法的近场计算方法，计算S1中的时域平面波照射到S1中的目标三角面片模型时的瞬态近场散射回波，包含：S21、采用射线追踪技术寻找光线弹跳路径，得到物理光学亮区；S22、当物理光学亮区的三角面片尺寸不满足远场条件时，对物理光学亮区进行三角面片细分处理，直至满足远场条件；S23、采用时域物理光学的近场计算公式确定瞬态散射场；S3、一维距离像处理，对目标的瞬态近场散射回波，根据入射信号在频域进行归一化处理；S4、方位向聚焦处理，根据ISAR成像分辨率所需角度宽度及采样密度重复执行S2～S3，得到所取角度采样下的回波数据，进行方位向聚焦处理，得到目标ISAR图像。

【技术特征摘要】
1.一种基于时域弹跳射线法快速近场计算的ISAR成像仿真方法，其特征在于，通过将时域弹跳射线法的近场计算方法与时域近场成像方法相结合，形成可模拟时域波形入射情形和近场接收情形的ISAR成像仿真；包含以下步骤：S1、给定目标的三角面片模型和瞬态入射场；其中，所述的三角面片模型用于描述目标的几何外形；所述的瞬态入射场为任意一种时域波形；S2、采用时域弹跳射线法的近场计算方法，计算S1中的时域平面波照射到S1中的目标三角面片模型时的瞬态近场散射回波，包含：S21、采用射线追踪技术寻找光线弹跳路径，得到物理光学亮区；S22、当物理光学亮区的三角面片尺寸不满足远场条件时，对物理光学亮区进行三角面片细分处理，直至满足远场条件；S23、采用时域物理光学的近场计算公式确定瞬态散射场；S3、一维距离像处理，对目标的瞬态近场散射回波，根据入射信号在频域进行归一化处理；S4、方位向聚焦处理，根据ISAR成像分辨率所需角度宽度及采样密度重复执行S2～S3，得到所取角度采样下的回波数据，进行方位向聚焦处理，得到目标ISAR图像。2.如权利要求1所述的基于时域弹跳射线法快速近场计算的ISAR成像仿真方法，其特征在于，所述的S1中，瞬态入射场选取时域高斯脉冲。3.如权利要求2所述的基于时域弹跳射线法快速近场计算的ISAR成像仿真方法，其特征在于，所述的时域高斯脉冲为：Ei(t)=cos(ωt)e-4π(t-t0)2τ2;]]>其中，ω＝2πf0，t0＝0.8τ，f0是中心频率，τ为常数。4.如权利要求3所述的基于时域弹跳射线法快速近场计算的ISAR成像仿真方法，其特征在于，所述的S21中，具体包含以下步骤：将S1中选取的时域高斯脉冲的平面波照射在S1中的目标三角面片模型上，在与入射方向垂直的平面上设置入射口径；设置入射光束，在光束与目标的每一次交点处计算时域光学场，直到光束逃逸出目标区域，得到光线弹跳路径，以及需要进行物理光学积分的三角面片，即物理光学亮区。5.如权利要求4所述的基于时域弹跳射线法快速近场计算的ISAR成像仿真方法，其特征在于，所述的S21中，入射口径的大小为目标在入射口径面上的投影的1.2倍至1.5倍。6.如权利要求4所述的基于时域弹跳射线法快速近场计算的ISAR成像仿真方法，其特征在于，所述的S22中，具体包含以下步骤：判断物理光学亮区的三角面片尺寸是否满足远场条件的原则是：rff=2D2λ;]]>其中，D为三角面片的最大线度，rff为该三角面片对应的远场条件，λ为入射波长；判断三角面片的中心与观察点间的距离r是否大于rff；当r＞rff时，表示PO亮区的三角面片尺寸满足远场条件；当r≤rff时，表示PO亮区的三角面片尺寸不满足远场条件，此时对PO亮区进行三角面片细分处理，直至满足远场条件，确保所有观察点均处于面元的远场。7.如权利要求6所述的基于时域弹跳射线法快速近场计算的ISAR成像仿真方法，其特征在于，所述的S23中，基于面元远场格林函数近似技术，在确保所有观察点均处于面元的远场时，...

【专利技术属性】
技术研发人员：贺新毅，蔡昆，高伟，童广德，
申请(专利权)人：上海无线电设备研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31