复杂目标精细化高频电磁建模方法及应用研究

摘要

雷达目标特性的准确预估及解译在军事领域具有非常重要的意义，是雷达对抗中的关键技术之一。雷达目标特性相关的研究工作主要包括电磁散射和逆散射两大方面问题。借助计算机仿真实现各种计算电磁学方法对复杂目标的电磁散射特性进行预估，已经成为各国雷达工作者热切关注的课题。与数值方法相比，高频方法具有占用计算资源少、计算速度快的优点，已经在电大尺寸雷达目标以及复杂环境下目标的散射特性预估等领域有着广泛的应用。除了获取已知目标的电磁特性，人们同时着眼于从未知目标的散射特性中提取出与其几何和物理特性相关的信息，从而对该实现目标的分类和识别。基于高频区目标电磁散射的局部性原理，人们可以使用一系列孤立的散射中心的集合来近似模拟目标整体的散射情况，而散射中心参数化模型的出现使得目标散射特性的描述更为简洁。其中，属性散射中心模型可以详尽地刻画目标上结构的位置、形状和尺寸等物理属性，其模型参数具有明确的物理含义，对真实目标的逼近程度极高。 本文基于混合的几何光学(GO)和物理光学(PO)法，研究了二次和三次反弹作用射线的路径追踪和散射场预估方法。针对自由空间及海环境中的复杂目标，计算了含多次反弹射线场贡献的RCS特性及SAR成像特性，为目标特性理论研究和雷达系统改善提供理论指导与数据支撑。基于含实体部件分解的复杂目标高精度几何建模方法，发展了一套含空间射线分集的射线追踪方法，通过将不同路径的射线分开实现目标各个散射中心的响应分离，达到精细化分析目标特性的目的。在此基础上，借助属性散射中心模型，原创性地发展了一套基于空间射线分集的复杂目标散射中心参数化正向建模方法，并提出了一套正向的模型参数推算方法。该方法与基于反演的逆向提取方法相比，获取的模型参数的物理意义更明晰，不仅有助于深入理解复杂目标电磁散射机理、散射特性的形成过程，更重要的是可以为雷达目标特征数据库的数据获取提供一条新的辅助途径，对雷达目标自动识别技术研究具有重要意义。本文内容主要包括: 1)研究了复杂目标高频电磁散射预估的物理光学方法(PO)，以及由多次反弹射线形成的耦合散射机理贡献的计算方法——混合GO-PO法。基于高频方法，对自由空间中和海环境中的电大尺寸复杂目标的RCS特性和SAR图像特性进行了仿真预估。 2)研究并发展了一套正向的复杂目标散射中心提取方法——空间射线分集技术。包括含实体部件分解的高精度几何建模方法，散射源提取、按贡献大小排序及强散射中心筛选算法。 3)研究了用于SAR目标识别的复杂目标散射中心参数化建模正向方法。发展了一套完整的确定模型参数的正向方法。为自动目标识别技术中的目标参数库的建立提供了一条新的、有效的途径。将该方法应用在验证复杂目标上，在若干角度下建立了精确的参数化模型。 4)采用数值拟合的方法研究了各种形状平板目标参数化模型。并采用一种散射机理描述和散射特性拟合共同作用的建模方法，从方位角、频率和目标尺寸的变化三方面入手考察其散射特性。给出了自由空间导弹目标在宽带全方位内幅度特性参数化模型。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1研究背景和意义

1．2国内外研究现状综述

1．3本文的研究工作及主要贡献

1．4本文结构安排

第二章电大尺寸复杂目标高频散射预估算法研究

2．1引言

2．2复杂目标散射的PO算法

2．2．1一次散射的PO算法

2．2．2多次耦合散射的混合GO-PO算法

2．3电大尺寸复杂目标电磁散射特性仿真实例

2．3．1自由空间目标电磁散射特性仿真实例

2．3．2海上舰船电磁散射特性仿真实例

2．4小结

第三章复杂目标强散射源提取及分析方法研究

3．1引言

3．2复杂目标高精度几何建模及实体部件分解方法

3．3正向的复杂目标强散射中心提取方法

3．3．1空间射线分集技术

3．3．2基于物理光学的射线场计算方法

3．3．3强散射源排序、筛选与输出

3．4散射源提取结果精度验证

3．4．1强散射源小角度缓变性考察

3．4．2强散射源提取精度验证

3．5基于空间射线分集的SLICY目标距离像特性分析实例

3．6小结

第四章面向识别的复杂目标散射中心参数化建模正向方法研究

4．1引言

4．2散射中心模型的选取

4．2．1基于GTD理论的属性散射中心模型

4．2．2散射中心参数化模型形式研究

4．3正向的散射中心模型参数确定方法

4．3．1位置参数的确定

4．3．2长度参数的确定

4．3．3频率依赖参数和幅度参数的确定

4．4正向的复杂目标参数化建模工程应用实例

4．5小结

第五章用于姿态反演的自由空间导弹目标幅度特性参数化建模

5．1引言

5．2平板目标参数化模型拟合

5．2．1矩形平板参数化模型

5．2．2非矩形平板参数化模型

5．3自由空间导弹目标幅度特性参数化建模实例

5．3．1幅度-方位角特性建模

5．3．2幅度-频率依赖特性建模

5．3．3幅度-尺寸依赖特性建模

5．4小结

第六章总结与展望

参考文献

攻读博士学位期间发表和完成的论文

致谢