一种超低空目标与地海粗糙面复合散射的快速计算方法

摘要

本发明公开了一种超低空目标与地海粗糙面复合散射的快速计算方法，该方法包含如下步骤：获取地海粗糙面被照射区域的中心位置。采用高频近似法计算获取多个目标镜像强散射点的后向散射RCS值。计算获取目标关于地海粗糙面镜像的散射贡献。将观测位置设置在目标被照射区域正下方的水平面处，计算获取多个目标双站强散射点的双站散射RCS值。通过基尔霍夫近似原则计算垂直入射时，地海粗糙面关于目标局部的镜像散设贡献。合成计算近场超低空目标与地海粗糙面的主要复合散射贡献，获取复合散射RCS值。该方法将强散射点引入近场目标与粗糙面复合多次散射计算中，降低了目标与地海面耦合散射计算量；同时不局限于平坦地海面，可适用于较大起伏的地海粗糙面。

说明书

技术领域

本发明涉及目标电磁散射特性计算获取技术，具体涉及一种超低空目标 与地海粗糙面复合散射的快速计算方法。

背景技术

对超低空飞行或地海面目标，目标散射回波与地海面背景回波将相互混 叠，且目标与地海面间存在较强的复合多次散射，目标回波信号通常被地海 杂波淹没，这将极大地影响了目标的探测，需要深入研究目标与地海面复合 散射特性，仿真计算作为获取上述特性的主要手段之一，其研究是近年来国 内外电磁散射建模主要热点之一。2001年，“四路径”的半空间模型方法 已被提出，用于近似计算远场情况下目标与较平坦地海面的复合散射问题。 但近场窄波束照射情况下，被照射的地海面区域较小，其统计特征随区域位 置剧烈变化，难以采用上述“四路径”方法；尤其对超低空运动目标，目标 与粗糙面相对位置时刻变化，需逐点计算两者间耦合散射，且通常近场仿真 计算要求的取样点密度较高(单次计算要求几千上万采样点)，其计算量十分 巨大，迫切要求一种快速有效的近场复合散射计算方法。

另一方面，近年来各种电磁算法也被用于研究目标与地海面复合散射问 题，但与单纯目标的电磁散射问题有限计算量相比，目标与地海粗糙面的复 合电磁散射求解问题在厘米波、毫米波等高频段下的电尺寸十分巨大(达几 万波长以上)，且目标与粗糙面间存在较大耦合，目前仍缺少有效的快速算法： 然而电磁流迭代及波束追踪算法等高频渐进法尽管可实现目标与地海面复合 多次散射的计算，但其计算速度还有待提高，仍难以满足工程应用每计算点 耗时秒量级以下的要求，这极大地限制了目标与环境复合散射模型的推广应 用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超低空目标与地海粗糙面复合散射的快速计 算方法，用于解决现有技术中近场超低空目标与地海粗糙面复合散射计算速 度较慢，难以满足工程应用要求的问题。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种超低空目标与地海粗糙面复合散射的快速计算方法，其特点是，该 方法包含如下步骤：

步骤1，获取地海粗糙面被照射区域的中心位置。

步骤2，根据地海粗糙面被照射区域的中心位置，采用高频近似法计算 获取多个目标镜像强散射点的后向散射RCS值σ_1i。

步骤3，根据上述的多个目标镜像强散射点的后向散射RCS值σ_1i，通 过基尔霍夫近似原则计算获取目标关于地海粗糙面镜像的散射贡献S₁。

步骤4，将观测位置设置在目标被照射区域正下方的水平面处，采用高 频近似法计算获取多个目标双站强散射点的双站散射RCS值σ_2i。

步骤5，根据上述的多个目标双站强散射点的双站散射RCS值σ_2i；通 过基尔霍夫近似原则计算垂直入射时，地海粗糙面关于目标局部的镜像散设 贡献S₂。

步骤6，合成计算近场超低空目标与地海粗糙面的主要复合散射贡献， 获取复合散射RCS值σ。

上述的步骤1包含如下步骤：

步骤1.1，将地海粗糙面进行网格面元剖分。

步骤1.2，根据观测天线主波束照射范围，提取被照射区域内的多个地海 粗糙面网格面元。

步骤1.3，将提取被照射区域内的各个地海粗糙面网格面元中心进行平均 计算，获取地海粗糙面的被照射区域中心位置。

上述的步骤2包含如下步骤：

步骤2.1，将获取的地海粗糙面被照射区域中心位置设置为观测位置M1。

步骤2.2，根据目标距离地海粗糙面的高度，将目标进行分块处理。

步骤2.3，采用高频近似法分别计算各分块目标的后向散射RCS值，并 将其分别等效为位置处于各分块目标中心、幅度为后向散射RCS值的散射点。

步骤2.4，根据各散射点的幅度，通过计算保留幅度大于阈值的强散射点， 即获取了多个目标镜像强散射点的后向散射RCS值σ_1i。

上述的步骤3包含：

步骤3.1，将上述的步骤2获取目标的多个镜像强散射点的位置分别设为 接收观测点。

步骤3.2，根据该多个接收观测点，通过基尔霍夫近似原则计算出地海粗 糙面的双站散射函数值ζ_2i。

步骤3.3，根据上述的地海粗糙面的双站散射函数值ζ_2i、观测天线到上 述的观测位置M1、上述的多个目标镜像强散射点的后向散射RCS值σ_1i、上 述的观测位置M1到多个目标镜像强散射点的距离，计算获取上述的目标关 于地海粗糙面镜像的散射贡献S₁。

上述的步骤4包含如下步骤：

步骤4.1，在观测天线主波束照射下，将观测位置M2设定在目标被照射 区域正下方的水平面处。

步骤4.2，根据目标距离地海粗糙面的高度，将目标进行分块处理。

步骤4.3，分别计算各分块目标的双站散射RCS值，并将其分别等效为 位置处于各分块目标中心、幅度为双站散射RCS值的散射点。

步骤4.4，根据各散射点的幅度，通过计算保留幅度具有大于阈值的强散 射点，即获取了多个目标双站强散射点的双站散射RCS值σ_2i。

上述的步骤5包含如下步骤：

步骤5.1，将通过上述的步骤4获取的多个目标双站强散射点的位置分别 设为接收观测点。

步骤5.2，根据该多个接收观测点，通过基尔霍夫近似原则计算出地海粗 糙面的后向散射函数值ζ_1i。

步骤5.3，根据上述的地海粗糙面的后向散射函数值ζ_1i、观测天线到多 个目标双站强散射点的距离、上述的多个目标双站强散射点的双站散射RCS 值σ_2i、上述的观测位置M2到多个目标双站强散射点的距离，计算获取上述 的地海粗糙面关于目标局部的镜像散设贡献S₂。

上述的步骤6中根据上述的步骤3获取的上述的目标关于地海粗糙面镜 像的散射贡献S₁、根据上述的步骤5获取的目上述的地海粗糙面关于目标局 部的镜像散射贡献S₂及单独目标的散射贡献S_T，单独地海粗糙面的散射贡 献S_SEA，及观测天线至目标中心的距离；根据如下球面波下雷达散射截面积 的定义：

σ＝4πR⁴|S₁+S₂+S_T+S_SEA|²；

计算获取复合散射的雷达散射截面积σ。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

本发明根据目标与粗糙面间主要的复合多次散射机制，利用目标单双站 强散射点的特性，实现近场超低空目标与地海粗糙面复合散射的快速计算， 具有如下优点：(1)、本发明方法将强散射点引入近场目标与粗糙面复合多次 散射计算中，极大地降低了目标与地海面耦合散射计算量，在毫米波段全尺 寸巡航弹目标与粗糙海面复合散射单点计算耗时可降低至秒量级(单进程)， 满足工程应用需求。(2)本发明方法不局限于平坦地海面，可适用于较大起 伏的地海粗糙面。

附图说明

图1为本发明一种超低空目标与地海粗糙面复合散射的快速计算方法的 流程图。

图2为本发明一种超低空目标与地海粗糙面复合散射的快速计算方法的 地海粗糙面被照射区域示意图。

图3为本发明一种超低空目标与地海粗糙面复合散射的快速计算方法的 对应超低空目标腹部的镜像散射点分布图。

图4为本发明一种超低空目标与地海粗糙面复合散射的快速计算方法的 目标双站散射点分布图。

图5为本发明一种超低空目标与地海粗糙面复合散射的快速计算方法的 复合散射RCS结果及对比图之一。

图6为本发明一种超低空目标与地海粗糙面复合散射的快速计算方法的 复合散射RCS结果及对比图之二。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一 步阐述。

如图1所示，一种超低空目标与地海粗糙面复合散射的快速计算方法， 该方法包含如下步骤：

如图2所示，图中观测天线处于A0，目标离地海粗糙面高度为H。

步骤1，获取地海粗糙面被照射区域的中心位置。该步骤包含如下步骤：

步骤1.1，将地海粗糙面进行网格面元剖分。

步骤1.2，根据观测天线主波束照射范围，提取被照射区域内的多个地海 粗糙面网格面元。

本实施例中，按照归一化天线波束增益不小于-3dB提取被照射区域内的 地海粗糙面网格面元。

步骤1.3，将提取被照射区域内的各个地海粗糙面网格面元中心进行平均 计算，获取地海粗糙面的被照射区域中心位置。如图2所示，点M1即为地 海粗糙面的被照射区域中心位置。

步骤2，根据地海粗糙面被照射区域的中心位置，采用高频近似法计算 获取多个目标镜像强散射点的后向散射RCS(Radar Cross-Section雷达散射 截面积，简称RCS)值σ_1i。该步骤包含如下步骤：

步骤2.1，将获取的地海粗糙面被照射区域中心位置设置为观测位置M1， 即从目标的腹部方向进行观测。

步骤2.2，根据目标距离地海粗糙面的高度，将目标进行分块处理。

本实施例中，根据目标距离地海粗糙面的高度H，各个分块目标的尺寸 D满足：

$D<\sqrt{\frac{\mathrm{H\lambda }}{2}}$

式中，λ为电磁波波长。

步骤2.3，采用高频近似法分别计算各分块目标的后向散射RCS值，并 将其分别等效为位置处于各分块目标中心、幅度为后向散射RCS值的散射点。

如图3所示，为使用本发明提供的方法获取的超低空目标腹部的镜像散 射点分布图。

步骤2.4，根据各散射点的幅度，通过计算保留幅度大于阈值的强散射点， 即获取了多个目标镜像强散射点的后向散射RCS值σ_1i(i＝1，2，…，M；M 为强散射点个数)。

本实施例中，以各个散射点的后向散射RCS值中最大值的10％为所述的 阈值。

步骤3，根据上述的多个目标镜像强散射点的后向散射RCS值σ_1i，通 过基尔霍夫近似原则计算获取目标关于地海粗糙面镜像的散射贡献S₁。该步 骤包含：

步骤3.1，将上述的步骤2获取目标的多个镜像强散射点的位置分别设为 接收观测点。

步骤3.2，根据该多个接收观测点，通过基尔霍夫近似原则计算出地海粗 糙面的双站散射函数值ζ_2i(i＝1，2，…，M)。

本发明中的地海粗糙面的散射函数取为接收观测点处散射场与地海粗糙 面处照射出的比值。

步骤3.3，根据上述的地海粗糙面的双站散射函数值ζ_2i、观测天线到上 述的观测位置M1、上述的多个目标镜像强散射点的后向散射RCS值σ_1i、上 述的观测位置M1到多个目标镜像强散射点的距离，计算获取上述的目标关 于地海粗糙面镜像的散射贡献S₁。

本实施例中，目标关于地海粗糙面镜像的散射贡献可写为：

$S_1=\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}\sqrt{\frac{{\zeta }_{2i}{\sigma }_{1i}{\zeta }_{2i}}{4\pi R_{01}^2{R}_{1i}^2}}\exp [-j2k(R_{01}+R_{1i})]$

式中，R₀₁为观测天线A0至粗糙海面点M1的距离；R_1i为点M1至目标 镜像散射点i的距离；j为虚数单位；k为电磁波波数。

步骤4，将观测位置设置在目标被照射区域正下方的水平面处，采用高 频近似法计算获取多个目标双站强散射点的双站散射RCS值σ_2i。该步骤包 含如下步骤：

步骤4.1，在观测天线主波束照射下，将观测位置M2设定在目标被照射 区域正下方的水平面处。

如图4所示，即先提取归一化增益不小于-3dB的观测天线波束内的目标 网络面元，并对目标各网格面元中心求平均，并将该中心位置记为点M2。

步骤4.2，根据目标距离地海粗糙面的高度，将目标进行分块处理。

步骤4.3，分别计算各分块目标的双站散射RCS值，并将其分别等效为 位置处于各分块目标中心、幅度为双站散射RCS值的散射点。

步骤4.4，根据各散射点的幅度，通过计算保留幅度具有大于阈值的强散 射点，即获取了多个目标双站强散射点的双站散射RCS值σ_2i(i＝1，2，…， N；N为双站强散射点个数)。

本实施例中，以各个散射点的双站散射RCS值中最大值的10％为上述的 阈值。

步骤5，根据上述的多个目标双站强散射点的双站散射RCS值σ_2i；通 过基尔霍夫近似原则计算垂直入射时，地海粗糙面关于目标局部的镜像散设 贡献S₂。该步骤包含如下步骤：

步骤5.1，将通过上述的步骤4获取的多个目标双站强散射点的位置分别 设为接收观测点。

步骤5.2，根据该多个接收观测点，通过基尔霍夫近似原则计算出地海粗 糙面的后向散射函数值ζ_1i(i＝1，2，…，N)。

步骤5.3，根据上述的地海粗糙面的后向散射函数值ζ_1i、观测天线到多 个目标双站强散射点的距离、上述的多个目标双站强散射点的双站散射RCS 值σ_2i、上述的观测位置M2到多个目标双站强散射点的距离，计算获取上述 的地海粗糙面关于目标局部的镜像散设贡献S₂。

本实施例中，地海粗糙面关于目标局部的镜像散设贡献S₂可写为：

$S_2=\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}\sqrt{\frac{{\sigma }_{2i}{\zeta }_{1i}{\sigma }_{2i}}{4\pi R_{0i}^2{R}_{i3}^2}}\exp [-j2k(R_{0i}+R_{i3})]$

式中，R_0i为观测天线A0至目标双站散射点i的距离，R_i3为目标双站散 射点i至点M2的距离；j为虚数单位；k为电磁波波数。

步骤6，合成计算近场超低空目标与地海粗糙面的主要复合散射贡献， 获取复合散射RCS值σ。

根据上述的步骤3获取的上述的目标关于地海粗糙面镜像的散射贡献 S₁、根据上述的步骤5获取的目上述的地海粗糙面关于目标局部的镜像散设 贡献S₂及单独目标的散射贡献S_T，单独地海粗糙面的散射贡献S_SEA，及观 测天线至目标中心的距离；计算获取复合散射RCS值σ。

根据球面波下雷达散射截面积的定义，近场超低空目标与地海粗糙面复合 散射RCS值σ可近似写为：

σ＝4πR⁴|S₁+S₂+S_T+S_SEA|²

式中，R为观测天线A0至目标中心的距离；S_T表示单独目标的散射贡 献，取观测天线处目标散射场与距离观测天线单位距离处照射场的比值；S_SEA表示单独海面的散射贡献，取观测天线处海面散射场与距离观测天线单位距 离处照射场的比值。

针对近场金属平板目标与地海粗糙面复合散射，本发明的计算方法与电 磁流迭代方法计算获得的复合RCS值结果对比，其中观测天线主波束相对海 面的入射角为30°，金属平板边长为40cm，且与水面夹角为30°。图5为 较小起伏海面(最大起伏约为0.05m)、图6为较大起伏海面(最大起伏约为 0.25cm)，两者对应镜像目标散射峰值大小、展宽及位置较为一致，证明了本 方法的有效性。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识 到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述 内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的 保护范围应由所附的权利要求来限定。