本發(fā)明涉及雷達(dá)目標(biāo)特性建模領(lǐng)域，具體涉及一種基于介質(zhì)射線追蹤的多層非平行界面介質(zhì)電磁散射仿真算法。

背景技術(shù)：

目標(biāo)的雷達(dá)散射截面(Radar Cross Section，RCS)是雷達(dá)探測(cè)技術(shù)、隱身和反隱身技術(shù)的一個(gè)重要特征參數(shù)，是表征目標(biāo)散射特性的一個(gè)最基本的參數(shù)。RCS分析預(yù)估是根據(jù)各種電磁散射理論研究場(chǎng)景產(chǎn)生散射場(chǎng)的各種機(jī)理，并且利用各種近似計(jì)算方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)定量估計(jì)目標(biāo)的電磁散射特性。目前，對(duì)復(fù)雜金屬目標(biāo)RCS的研究已日趨完善，而對(duì)多層介質(zhì)包覆目標(biāo)的電磁散射建模方法則有待發(fā)展。針對(duì)多層介質(zhì)包覆目標(biāo)，電磁波在介質(zhì)中傳輸時(shí)會(huì)發(fā)生衰減，入射到介質(zhì)分界面時(shí)會(huì)同時(shí)發(fā)生反射與折射，使得其電磁散射特性極為復(fù)雜，對(duì)其進(jìn)行散射建模比較困難。因此，以多層介質(zhì)包覆目標(biāo)的真實(shí)散射機(jī)理為基礎(chǔ)，建立逼真的多層介質(zhì)包覆目標(biāo)散射模型，具有重要意義。

申請(qǐng)?zhí)枮?01510107665.7的專利文獻(xiàn)公開(kāi)了一種分層介質(zhì)粗糙面電磁散射系數(shù)的確定方法，通過(guò)建立與分層粗糙面相對(duì)應(yīng)的分層平面模型，并通過(guò)引入零階電場(chǎng)、相對(duì)介電常數(shù)之差以及一階擾動(dòng)場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)分層介質(zhì)粗糙面電磁散射系數(shù)的求解，該方法可實(shí)現(xiàn)分層介質(zhì)粗糙面的后向散射建模，但是無(wú)法處理多層介質(zhì)的透射問(wèn)題以及多層介質(zhì)包覆目標(biāo)的電磁散射建模問(wèn)題。

申請(qǐng)?zhí)枮?01110193676.3的專利文獻(xiàn)公開(kāi)了一種非均勻媒質(zhì)可視求跡散射分析方法，是基于圖形顯示的計(jì)算非均勻媒質(zhì)雷達(dá)散射特性的新方法，該方法通過(guò)OpenGL中的遮擋判別功能來(lái)實(shí)現(xiàn)射線與目標(biāo)的求交運(yùn)算，但是無(wú)法模擬射線在介質(zhì)中發(fā)生的折射，同時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)射線在目標(biāo)區(qū)域的多次反射求解。

申請(qǐng)?zhí)枮?01310135220.0的專利文獻(xiàn)公開(kāi)了一種薄介質(zhì)涂覆的金屬旋轉(zhuǎn)對(duì)稱目標(biāo)電磁散射快速計(jì)算方法，該方法針對(duì)金屬介質(zhì)混合結(jié)構(gòu)，僅需對(duì)金屬部分建立電場(chǎng)積分方程，加快了求解速度，降低了內(nèi)存消耗，但是該方法僅能對(duì)薄介質(zhì)涂覆目標(biāo)進(jìn)行建模求解，同時(shí)該方法通過(guò)二維簡(jiǎn)化來(lái)進(jìn)行計(jì)算，僅能解決旋轉(zhuǎn)對(duì)稱目標(biāo)的求解。

發(fā)表在《中國(guó)激光》上的非專利的文獻(xiàn)《電磁波在一維多層結(jié)構(gòu)中的傳輸特性分析》介紹了一種基于傳遞矩陣的多層結(jié)構(gòu)中電磁波傳輸特性建模方法，該方法可實(shí)現(xiàn)平行分層結(jié)構(gòu)中的電磁波傳輸特性建模，但是無(wú)法處理非平行分界面的情況，而且該論文僅給出了一維多層結(jié)構(gòu)的傳輸特性建模方法，未說(shuō)明該方法如何擴(kuò)展到三維實(shí)體模型的情況。

發(fā)表在《電子測(cè)量技術(shù)》上的非專利的文獻(xiàn)《粗糙面電磁波透射特征的矩量法研究》介紹了一種基于矩量法(MoM)的粗糙面下方介質(zhì)中的電磁波透射建模方法，該方法可實(shí)現(xiàn)單層介質(zhì)情況下的透射建模問(wèn)題，但無(wú)法解決多層介質(zhì)的透射計(jì)算，同時(shí)該方法采用矩量法等數(shù)值算法，對(duì)計(jì)算時(shí)間和計(jì)算資源(內(nèi)存)的消耗較大，無(wú)法解決電大尺寸的問(wèn)題。

目前，多層介質(zhì)下包覆目標(biāo)的電磁散射建模主要包括兩種手段：一是采用矩量法等數(shù)值方法對(duì)多層介質(zhì)及其內(nèi)包覆目標(biāo)的電磁散射特性進(jìn)行建模；另一種是將多層介質(zhì)包覆目標(biāo)的散射問(wèn)題簡(jiǎn)化為平行分層結(jié)構(gòu)下目標(biāo)的散射問(wèn)題，并采用傳輸矩陣方法進(jìn)行求解。其中第一種方法由于采用了矩量法等數(shù)值方法，對(duì)計(jì)算時(shí)間和計(jì)算資源(內(nèi)存)的消耗較大，無(wú)法解決電大尺寸的問(wèn)題。對(duì)于第二種方法，雖然提高了計(jì)算速度，但是沒(méi)有考慮電磁波在介質(zhì)中的折射現(xiàn)象，并且無(wú)法處理非平行分界面的問(wèn)題。因此，現(xiàn)有技術(shù)方案的適用性受到很大限制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于介質(zhì)射線追蹤的多層非平行界面介質(zhì)電磁散射仿真算法，利用射線來(lái)等效電磁波在多層介質(zhì)中的反射與折射，通過(guò)引入分層介質(zhì)間的反射系數(shù)和透射系數(shù)，實(shí)現(xiàn)了多層非平行界面介質(zhì)中隱伏目標(biāo)的電磁散射建模，是一種行之有效的多層介質(zhì)包覆目標(biāo)的電磁散射建模方案。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：一種基于介質(zhì)射線追蹤的多層非平行界面介質(zhì)電磁散射仿真算法，其特點(diǎn)是，包含以下步驟：

S1、多層非平行界面介質(zhì)中的射線追蹤，根據(jù)仿真參數(shù)設(shè)置虛擬孔徑面，按照頻率對(duì)其進(jìn)行射線管劃分，從虛擬孔徑面投射射線到目標(biāo)區(qū)域?qū)ι渚€在介質(zhì)分界面處的反射與折射進(jìn)行遞歸追蹤，獲取多次反射交點(diǎn)信息；

S2、多層非平行界面介質(zhì)中的場(chǎng)強(qiáng)追蹤，在介質(zhì)分界面處，根據(jù)極化信息及入射方向確定入射電場(chǎng)，在介質(zhì)分界面處根據(jù)Snell定律和反射系數(shù)、折射系數(shù)求解反射電場(chǎng)和折射電場(chǎng)，獲取射線與目標(biāo)及介質(zhì)交點(diǎn)處的電場(chǎng)信息；

S3、多層介質(zhì)包覆目標(biāo)的遠(yuǎn)區(qū)散射場(chǎng)建模，針對(duì)反射與折射兩類出射射線，利用物理光學(xué)法求解其在雷達(dá)接收機(jī)方向的散射貢獻(xiàn)，獲取總散射場(chǎng)及雷達(dá)散射截面信息，完成多層非平行界面介質(zhì)電磁散射仿真。

所述的步驟S1中，根據(jù)俯仰角、方位角和目標(biāo)形狀信息確定虛擬孔徑面的位置和尺寸。

所述的俯仰角θ＝90°，方位角

所述的步驟S1中，頻率f＝2GHz。

本發(fā)明一種基于介質(zhì)射線追蹤的多層非平行界面介質(zhì)電磁散射仿真算法與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明通過(guò)對(duì)射線在多層介質(zhì)分界面處發(fā)生的反射與折射現(xiàn)象進(jìn)行遞歸追蹤，可對(duì)電磁波在多層介質(zhì)中的傳輸過(guò)程進(jìn)行模擬；本發(fā)明通過(guò)引入介質(zhì)的反射與透射計(jì)算解決了多層介質(zhì)中的場(chǎng)強(qiáng)追蹤問(wèn)題，針對(duì)透射電場(chǎng)和反射電場(chǎng)進(jìn)行物理光學(xué)積分從而實(shí)現(xiàn)多層非平行界面介質(zhì)包覆目標(biāo)的電磁散射計(jì)算，極大擴(kuò)展了適用范圍。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明一種基于介質(zhì)射線追蹤的多層非平行界面介質(zhì)電磁散射仿真算法的流程圖；

圖2為多層介質(zhì)包覆目標(biāo)的射線追蹤示意圖；

圖3為電磁波入射到介質(zhì)平面示意圖；

圖4為介質(zhì)包覆鈍錐體目標(biāo)示意圖

圖5為介質(zhì)包覆目標(biāo)的掃頻RCS示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖，通過(guò)詳細(xì)說(shuō)明一個(gè)較佳的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步闡述。

在高頻電磁波入射情況下，可采用彈跳射線法對(duì)多層介質(zhì)包覆目標(biāo)的電磁散射特性進(jìn)行建模。彈跳射線法是一種基于射線光學(xué)的高頻電磁散射計(jì)算方法，它用射線與射線管的概念解釋電磁場(chǎng)的散射和傳播機(jī)理。彈跳射線法主要分為三個(gè)步驟，即射線追蹤、場(chǎng)強(qiáng)追蹤和遠(yuǎn)場(chǎng)積分。

根據(jù)雷達(dá)與目標(biāo)之間的相對(duì)位置關(guān)系，設(shè)置虛擬孔徑面，從虛擬孔徑面投射射線到目標(biāo)區(qū)域，記錄射線在目標(biāo)區(qū)域的多次反射交點(diǎn)信息，這個(gè)過(guò)程即為射線追蹤。射線追蹤過(guò)程遵從Snell反射與折射定律。射線入射到目標(biāo)表面時(shí)發(fā)生全反射；入射到各層介質(zhì)分界面時(shí)會(huì)發(fā)生分裂，可根據(jù)各層介質(zhì)的介電常數(shù)求解其折射率，在各層分界面處調(diào)用Snell定律求解反射射線與折射射線，并進(jìn)行遞歸追蹤，直到射線射出區(qū)域返回雷達(dá)接收機(jī)為止。

高頻入射電磁波情況下，入射波長(zhǎng)小于介質(zhì)分界面的局部曲率半徑，因此電磁波在分層介質(zhì)界面處的入射問(wèn)題可以等效為電磁波在平面分層介質(zhì)中的入射問(wèn)題。設(shè)介質(zhì)表面的法向單位矢量為入射方向?yàn)榉瓷浞较驗(yàn)檎凵浞较驗(yàn)槿肷浣菫棣?sub>i，折射角為θ_γ，上層介質(zhì)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率分別為和下層介質(zhì)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率分別為和

在電磁波與介質(zhì)平面的入射問(wèn)題中，平行極化波的傳輸特性與垂直極化波存在差異，可將入射場(chǎng)分解為平行于入射面的極化分量和垂直于入射面的極化分量，分別計(jì)算平行極化分量和垂直極化分量的反射與透射，并通過(guò)矢量疊加合成為最終的反射場(chǎng)與透射場(chǎng)。

入射電場(chǎng)的分解形式為：

式中：為入射電場(chǎng)垂直極化方向的單位矢量；為入射電場(chǎng)平行極化方向的單位矢量。

反射電場(chǎng)可以表示為：

式中：和分別為當(dāng)前交點(diǎn)的垂直極化和平行極化的復(fù)電場(chǎng)反射系數(shù)。

透射電場(chǎng)可以表示為：

式中：和分別為當(dāng)前交點(diǎn)的垂直極化和平行極化的復(fù)電場(chǎng)傳輸系數(shù)。

電磁波入射到表面的反射系數(shù)為：

式中：為兩種介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)之比。

電磁波斜入射到介質(zhì)分界面的透射系數(shù)為：

式中：分別為垂直極化波和平行極化波的菲涅耳系數(shù)。

電磁波入射到目標(biāo)(理想導(dǎo)體)表面時(shí)，根據(jù)理想導(dǎo)體的邊界條件，反射系數(shù)為Γ_//＝1和Γ_⊥＝-1。結(jié)合射線基坐標(biāo)系的幾何關(guān)系，可得對(duì)于理想導(dǎo)體表面，反射電場(chǎng)與入射電場(chǎng)之間滿足關(guān)系式：

電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其相位隨著傳播距離的增加而變化，同時(shí)介質(zhì)對(duì)電磁波的幅度也會(huì)造成衰減效果。

對(duì)于介質(zhì)中的均勻平面波，其電場(chǎng)的傳播方程為：

式中：E_A為空間中A點(diǎn)的電場(chǎng)矢量；E_B為空間中B的電場(chǎng)矢量；為介質(zhì)中的波數(shù)，可由介電常數(shù)等參數(shù)求解求解得到；l為A點(diǎn)與B點(diǎn)連線在電場(chǎng)傳播方向上的投影距離，

根據(jù)射線追蹤過(guò)程求得射線與分層介質(zhì)的交點(diǎn)幾何信息，針對(duì)電磁波在介質(zhì)中的傳播過(guò)程，調(diào)用式(7)求解電場(chǎng)的衰減與相位變化；在介質(zhì)與空氣界面以及介質(zhì)層之間的界面處調(diào)用式(2)和式(3)求解反射與折射電場(chǎng)；在目標(biāo)表面調(diào)用式(6)求解反射電場(chǎng)，即可實(shí)現(xiàn)多層介質(zhì)覆蓋目標(biāo)的場(chǎng)強(qiáng)追蹤求解。

在多層介質(zhì)中隱伏目標(biāo)的電磁散射建模中，最終的散射場(chǎng)貢獻(xiàn)分為兩種，一種是在介質(zhì)與空氣界面發(fā)生反射回到雷達(dá)接收機(jī)的貢獻(xiàn)；另一種是入射到多層介質(zhì)內(nèi)部，經(jīng)過(guò)多次反射后，最終通過(guò)透射返回雷達(dá)接收機(jī)的貢獻(xiàn)。對(duì)于以上兩種貢獻(xiàn)，可分別通過(guò)在場(chǎng)強(qiáng)追蹤過(guò)程求解出散射點(diǎn)處的出射電場(chǎng)與磁場(chǎng)。最終雷達(dá)接收到的總散射場(chǎng)通過(guò)物理光學(xué)法求得。

根據(jù)電磁場(chǎng)的邊界條件，電磁場(chǎng)引起的感應(yīng)電磁流為：

式中：是目標(biāo)表面單位法向量；H_i(r′)為當(dāng)前散射點(diǎn)處的出射磁場(chǎng)，它可由介質(zhì)分界面處的反射與透射公式求得；r′為當(dāng)前散射點(diǎn)的位置矢量。

由物體表面等效電流產(chǎn)生的遠(yuǎn)區(qū)散射場(chǎng)的一般計(jì)算公式即基爾霍夫(Kirchhoff)近似公式如下：

式中：為觀察方向的單位矢量；Z₀為自由空間波阻抗；R_r為目標(biāo)到天線的距離。

在彈跳射線法中，總散射場(chǎng)積分是針對(duì)所有對(duì)總散射場(chǎng)有貢獻(xiàn)的射線管進(jìn)行的。由于在彈跳射線法中，射線管被劃分為規(guī)則的四邊形面元，因此總散射場(chǎng)可以利用Gordon積分的方法進(jìn)行處理。

針對(duì)彈跳射線法中物理光學(xué)積分的特殊情況，式(9)中的散射場(chǎng)積分可以離散為所有射線管的散射場(chǎng)求和。而每一個(gè)射線管均為規(guī)則的四邊形面元，在一個(gè)面元內(nèi)，等效電流J(r′)的幅度為常量，將幅度項(xiàng)分離出積分公式，物理光學(xué)積分可簡(jiǎn)化為：

式中：N為四邊形面元總數(shù)；J(r′)為當(dāng)前面元上的表面等效電流；I_k為第k個(gè)面元上的特征積分；其表達(dá)式為：

式中：表示第k個(gè)面元處的單位入射波矢。對(duì)于四邊形面元，當(dāng)不為零時(shí)，I_k可表示為如下形式的解析求和：

式中：a_m表示當(dāng)前面元第m條邊矢量，其取向與面元法矢成右手螺旋關(guān)系；r_m為當(dāng)前面元第m條邊的中點(diǎn)位置矢量；sinc(x)＝sin x/x。當(dāng)為零時(shí)，式(12)可以簡(jiǎn)化為：

式中：ΔA_k為第k個(gè)四邊形面元的面積；r₀是該四邊形面元的中心位置矢量。

通過(guò)上述分析，利用等效原理求解出每一個(gè)射線管出射位置處的表面感應(yīng)電流之后，就可以利用式(10)求解出目標(biāo)在雷達(dá)接收天線處的總散射場(chǎng)貢獻(xiàn)。

最后由公式(14)得到多層介質(zhì)包覆目標(biāo)的RCS。

本發(fā)明一種基于介質(zhì)射線追蹤的多層非平行界面介質(zhì)電磁散射仿真算法，如圖1所示，以介質(zhì)層包覆鈍錐體目標(biāo)的電磁散射建模為例，包含以下步驟：

S1、多層非平行界面介質(zhì)中的射線追蹤，根據(jù)仿真參數(shù)設(shè)置虛擬孔徑面，按照頻率對(duì)其進(jìn)行射線管劃分，從虛擬孔徑面投射射線到目標(biāo)區(qū)域?qū)ι渚€在介質(zhì)分界面處的反射與折射進(jìn)行遞歸追蹤，獲取多次反射交點(diǎn)信息。

根據(jù)俯仰角θ＝90°、方位角和目標(biāo)形狀信息確定虛擬孔徑面的位置和尺寸，并按照波長(zhǎng)的十分之一(頻率f＝2GHz)對(duì)虛擬孔徑面進(jìn)行射線管劃分，如圖1所示，顯示了一條從虛擬孔徑面投射的射線入射到兩層介質(zhì)包覆下的目標(biāo)區(qū)域的情況，在介質(zhì)與空氣、以及介質(zhì)層之間的界面處入射射線分裂為反射射線與折射射線，在目標(biāo)表面發(fā)生全反射，最終該射線與各層分界面共形成六個(gè)交點(diǎn)。

S2、多層非平行界面介質(zhì)中的場(chǎng)強(qiáng)追蹤，在介質(zhì)分界面處，根據(jù)極化信息及入射方向確定入射電場(chǎng)，在介質(zhì)分界面處根據(jù)Snell定律和反射系數(shù)、折射系數(shù)求解反射電場(chǎng)和折射電場(chǎng)，獲取射線與目標(biāo)及介質(zhì)交點(diǎn)處的電場(chǎng)信息，如圖2所示，介質(zhì)表面的法向單位矢量為入射方向?yàn)榉瓷浞较驗(yàn)檎凵浞较驗(yàn)槿肷浣菫棣?sub>i，折射角為θ_γ，上層介質(zhì)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率分別為和下層介質(zhì)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率分別為和

S3、多層介質(zhì)包覆目標(biāo)的遠(yuǎn)區(qū)散射場(chǎng)建模，針對(duì)反射與折射兩類出射射線，利用物理光學(xué)法求解其在雷達(dá)接收機(jī)方向的散射貢獻(xiàn)，獲取總散射場(chǎng)及雷達(dá)散射截面信息，完成多層非平行界面介質(zhì)電磁散射仿真。針對(duì)如圖3所示的介質(zhì)包覆目標(biāo)，其中，鈍錐體目標(biāo)球頭半徑R_n＝0.08m，鈍錐總長(zhǎng)L＝0.3m，半錐角θ＝8°，外部介質(zhì)的形狀如圖3所示，為橢球體形狀，其相對(duì)介電常數(shù)ε_r＝0.94-4×10^-4，在頻率f＝1GHz～2GHz，步長(zhǎng)10MHz，俯仰角θ＝90°，方位角(頭部方向入射)，HH極化時(shí)利用本專利提出的方法對(duì)其掃頻RCS進(jìn)行求解，所得結(jié)果如圖4所示。

盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過(guò)上述優(yōu)選實(shí)施例作了詳細(xì)介紹，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到上述的描述不應(yīng)被認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對(duì)于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見(jiàn)的。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來(lái)限定。