技术领域
[0001] 本
发明涉及雷达目标特性建模领域，尤其涉及一种基于四路径模型的运动目标与地面复合散射建模方法。
背景技术
[0002] 目标的雷达散射截面(Radar Cross Section，RCS)分析预估是根据各种电磁散射理论研究场景产生散射场的各种机理，并且利用各种近似计算方法和计算机技术定量估计目标的电磁散射特性。在实际中，目标并不是独立存在的，而是处于复杂的背景当中。以行驶在
水泥路面上的车辆目标为例，由于车辆自身的复杂结构及其与地面背景之间的多径作用，使得其电磁散射特性极为复杂，使得对目标雷达图像的解释、分析变得困难，进而影响目标的识别。因此，以地面目标真实的散射机理为
基础，建立逼真的地面目标散射模型，对于更有效地理解地面目标的雷达图像及实现目标识别，具有重要意义。
[0003] 对
现有技术进行了国内外
数据库的检索，在中国
专利“电大复杂体目标与粗糙面背景复合电磁散射数值仿真方法”(
申请号：200710173289.7)中提出了双向弹跳射线法(Bidirectional Analytic Ray Tracing，BART)，该方法将目标与背景划分为大面片，并通过从发射和接收两个方向对目标区域进行射线追踪，来获取目标与背景的复合散射特性。但是由于其采用了大面片划分，无法处理目标及背景的精细建模，同时该方法无法处理运动目标与背景的散射特性建模问题。
[0004] 在中国专利“一种前向散射雷达地面运动目标
信号建模及成像方法”(申请号：201010587979.9)中建立了一种地面运动目标的前向散射信号模型，该方法虽然考虑了目标运动、地面反射、大衍射
角等实际情况，但未提及后向散射情况下的求解问题。
[0005] 在中国专利“基于互易性原理的粗糙面与目标复合电磁散射仿真方法”(申请号：201310512166.7)中提出了一种基于互易性原理的粗糙面与目标复合电磁散射仿真方法，但是该方法未提及运动目标与粗糙面背景的复合散射求解问题。
[0006] 目前，目标与背景的复合散射建模一般采用目标与背景的一体化电磁散射建模方法，即建立一体化的目标与背景
几何模型，并根据目标与背景材质的信息设置不同的物理参数，利用数值或高频方法对包含目标与背景的场景散射特性进行一体化电磁散射建模。该方法计算量大，计算过程比较耗时，且计算结果与特定的场景相对应，不能作任何扩展。
例如，即使现有目标模型的
位置有很小的偏移，也需要根据新的场景参数完全重新计算。因此，该技术的适用性受到很大限制。
发明内容
[0007] 本发明提供一种基于四路径模型的运动目标与地面复合散射建模方法，极大的简化了运算过程，减少了运算量，同时可实现对移动目标的复合散射建模，极大扩展了适用范围。
[0008] 为了达到上述目的，本发明提供一种基于四路径模型的运动目标与地面复合散射建模方法，包含以下步骤：
[0009] 步骤S1、对目标本体的雷达散射特性进行建模，获得目标的直接散射回波；
[0010] 步骤S2、对地面背景的雷达散射特性进行后向散射建模，获得地面背景的直接散射回波；
[0011] 步骤S3、引入地面反射系数及地面粗糙度的影响，利用双站散射方法进行地面背景与目标的多径散射建模，获得面背景与目标之间的多径散射回波；
[0012] 步骤S4、将目标直接散射回波、地面直接散射回波、目标与地面之间的多径散射回波进行
相干累加，获得地面背景与目标的复合散射特性。
[0013] 所述的步骤S3中，地面背景与目标之间的多径散射贡献表示为：
[0014] Ec＝2ΓrΕ2ψ (1)
[0015] 式中，E2ψ表示双站角为2倍擦地角ψ时的双站散射贡献；Γr为粗糙地面的反射系数；系数2表示存在两种多径散射路径，即经地面反射后再由目标散射回到接收机的路径，以及经目标反射后再由地面散射回到接收机的路径；
[0016] 粗糙地面的反射系数Γr受到地面粗糙度的影响，表示为：
[0017] Γr(H,V)＝Γ(H,V)·ρs (2)
[0018] 式中，Γ(H,V)为平面波入射到光滑平面的反射系数；ρs为同表面粗糙度有关的系数；
[0019] 定义粗糙度因子Γ为：
[0020]
[0021] 式中，σh为表面高度的标准差，ψ为擦地角，λ为
波长，则粗糙度系数为：
[0022]
[0023] 平面波入射到光滑镜面的反射系数为：
[0024]
[0025] 式中，ψ为入射的擦地角，ε为表面的复
介电常数。
[0026] 所述的步骤S4中，目标与地面背景的复合散射中存在四种反射路径：目标直接散射路径、地面背景直接散射路径、经地面反射后再由目标散射回到接收机的路径，以及经目标反射后再由地面散射回到接收机的路径；
[0027] 在雷达入射方向选取一等
相位面，以选取的等相位面为相位参考中心，各路径的长度分别如下：
[0028] 目标直接散射路径：L1＝2b；
[0029] 两条地面与目标之间多径反射路径：L2＝2a+2b；
[0030] 地面背景直接散射路径：L3＝2a+2b；
[0031] 其中，b为目标中心到等相位面的距离；a为地面反射点到等相位面的距离；
[0032] 在多路径条件下，雷达接收到的回波信号为来自上述各条路径信号的矢量
叠加：
[0033]
[0034] 式中，ET代表目标的直接散射回波；Ec代表地面背景与目标之间的多径散射回波；EG代表地面背景的直接散射回波；k＝2π/λ为
波数。
[0035] 在运动状态下，若在某一时刻t，雷达相对于目标本体
坐标系的
俯仰角为θ，方位角为 入射方向单位矢量为 目标相对于坐标原点的位置矢量为r(t)，则该时刻由于目标运动而需要在目标散射回波与多径散射回波之上引入的相位 该时刻的总散射场示为：
[0036]
[0037] 式中，φ(t)为由于目标运动而引入的补偿相位。
[0038] 本发明通过对地面背景散射、目标散射、以及目标与地面背景之间的多径散射贡献进行独立求解与相干累加，实现了地面背景与目标的复合散射求解，是一种行之有效的目标与背景复合散射特性建模方法，通过对各个散射分量的独立求解，极大的简化了运算过程，减少了运算量，同时通过引入补偿相位的模式可实现目标的移动，即使更换目标模型也仅需对目标散射及多径散射两种散射分量进行重新计算，极大扩展了适用范围。
附图说明
[0039] 图1是本发明提供的一种基于四路径模型的运动目标与地面复合散射建模方法的
流程图。
[0040] 图2是地面背景与目标的复合散射示意图。
[0041] 图3是地面背景与目标的多径散射示意图。
[0042] 图4是车辆目标本体二维像。
[0044] 图6是车辆与地面多径散射二维像。
[0045] 图7是静止车辆与水泥地面之间的复合散射二维像。
[0046] 图8是运动状态车辆目标与水泥地面之间复合散射二维像。
具体实施方式
[0047] 以下根据图1～图8，具体说明本发明的较佳
实施例。
[0048] 如图1所示，本发明提供一种基于四路径模型的运动目标与地面复合散射建模方法，包含以下步骤：
[0049] 步骤S1、对目标本体的雷达散射特性进行建模，获得目标的直接散射回波；
[0050] 步骤S2、对地面背景的雷达散射特性进行后向散射建模，获得地面背景的直接散射回波；
[0051] 步骤S3、引入地面反射系数及地面粗糙度的影响，利用双站散射方法进行地面背景与目标的多径散射建模，获得面背景与目标之间的多径散射回波；
[0052] 步骤S4、将目标直接散射回波、地面直接散射回波、目标与地面之间的多径散射回波进行相干累加，获得地面背景与目标的复合散射特性。
[0053] 所述的步骤S1中，在获取包括俯仰角、方位角、
频率和带宽等雷达成像仿真参数的基础上，利用高频电磁散射计算中的弹跳射线法或FEKO等商用
软件对目标本体的雷达散射特性进行仿真建模。
[0054] 所述的步骤S2中，在获取地面的介电常数、粗糙度等参数的基础上，利用处理粗糙面散射的经典方法微扰法或基尔霍夫法对地面背景的雷达散射特性进行建模。
[0055] 所述的步骤S3中，地面背景与目标之间的多径散射贡献分为两部分，一是经地面反射后再由目标散射回到接收机的贡献，二是经目标反射后再由地面散射回到接收机的贡献；
[0056] 图2为地面背景与目标之间的多径散射示意图，由图可见经地面反射后再由目标散射回到雷达接收机的贡献可以等效为由位于地面之下的虚像进行入射再由实际雷达接收机接收的双站散射，根据图中几何关系，该情况下双站角为实际入射擦地角的2倍，而经目标反射后再由地面散射回到雷达接收机的贡献可以等效为由实际雷达进行入射，再由地面之下的雷达虚像进行接收的双站散射。
[0057] 针对地面与目标之间的多径散射，目标处的出射
电磁波相对于入射电磁波之间存在双站角，可通过在双站散射方法中引入地面反射系数及地面粗糙度的影响，来实现地面背景与目标的多径散射建模；
[0058] 根据双站散射的对称性原理，互换发射天线与接收天线的位置，雷达接收到的散射回波保持不变，因此地面背景与目标之间的多径散射贡献可以表示为：
[0059] Ec＝2ΓrΕ2ψ (1)
[0060] 式中，E2ψ表示双站角为2倍擦地角ψ时的双站散射贡献；Γr为粗糙地面的反射系数；因为存在两种多径散射路径，所以最终的散射场需要乘以系数2；
[0061] 粗糙地面的反射系数Γr受到地面粗糙度的影响，可以表示为：
[0062] Γr(H,V)＝Γ(H,V)·ρs (2)
[0063] 式中，Γ(H,V)为平面波入射到光滑平面的反射系数；ρs为同表面粗糙度有关的系数；
[0064] 定义粗糙度因子Γ为：
[0065]
[0066] 式中，σh为表面高度的标准差，ψ为擦地角，λ为波长，则粗糙度系数为：
[0067]
[0068] 平面波入射到光滑镜面的反射系数为：
[0069]
[0070] 式中，ψ为入射的擦地角，ε为表面的复介电常数。
[0071] 所述的步骤S4中，地面背景与目标的复合散射贡献分为四个部分：地面散射贡献、目标散射贡献、经地面反射后再由目标散射回到接收机的贡献，以及经目标反射后再由地面散射回到接收机的贡献；图3为地面背景与目标的复合散射示意图，由图可见总散射场的贡献分为四个部分：地面散射贡献D1、目标散射贡献D4、经地面反射后再由目标散射回到接收机的贡献D2，以及经目标反射后再由地面散射回到接收机的贡献D3；
[0072] 在雷达入射方向选取一等相位面，假定目标中心到等相位面的距离为b；沿入射方向入射的射线，经地面反射后投射到目标中心，其中地面反射点到等相位面的距离为a；
[0073] 目标与地面背景的复合散射中存在四种可能的反射路径，每一条路径的长度各不相同，以选取的等相位面为相位参考中心，各路径的长度分别如下：
[0074] 目标直接散射路径：L1＝2b；
[0075] 地面与目标之间多径反射路径(两条)：L2＝2a+2b；
[0076] 地面背景直接散射路径：L3＝2a+2b；
[0077] 此外，由于三种路径的距离中均有2b，因此可以忽略，此时所选取的相位参考中心为目标中心；
[0078] 在多路径条件下，雷达接收到的回波信号为来自上述各条路径信号的矢量叠加：
[0079]
[0080] 式中，ET代表目标的直接散射回波；Ec代表地面背景与目标之间的多径散射回波；EG代表地面背景的直接散射回波；k＝2π/λ为波数；
[0081] 在运动状态下，目标运动使得在雷达成像的合成孔径时间内目标中心相对于坐标原点发生位置偏移，从而造成目标散射回波以及地面背景与目标之间的多径散射回波的相位偏移；
[0082] 若在某一时刻t，雷达相对于目标本体坐标系的俯仰角为θ，方位角为 入射方向单位矢量为 目标相对于坐标原点的位置矢量为r(t)，则该时刻由于目标运动而需要在目标散射回波与多径散射回波之上引入的相位 该时刻的总散射场可以表示为：
[0083]
[0084] 式中，φ(t)为由于目标运动而引入的补偿相位。
[0085] 以下通过一个具体实施例来说明本发明，利用本发明提供的一种基于四路径模型的运动目标与地面复合散射建模方法对在水泥地面上行驶的车辆进行复合散射建模，包含以下步骤：
[0086] 步骤S1、对车辆的雷达散射特性进行建模；
[0087] 如图4所示，所选取车辆目标模型长度约为5m，高度约2.1m，宽度约2.3m；以频率f＝9.5GHz～9.7GHz，扫频步长1MHz，俯仰角θ＝45°，方位角 扫角步长为参数，计算车辆目标的二维雷达像；
[0088] 步骤S2、对水泥地面的雷达散射特性进行后向散射建模；
[0089] 如图5所示，针对长度(X轴向)为64m，宽度(Y轴向)为48m，相对介电常数起伏幅度因子δr＝0.00013的水泥地面，采用与车辆目标成像相同的仿真参数，对水泥地面的二维像进行仿真；
[0090] 步骤S3、利用双站散射方法进行地面背景与车辆的多径散射建模；
[0091] 如图6所示，由位于地面之下的虚像进行入射再由实际雷达接收机接收的双站散射来等效地面与目标之间的多径散射贡献，在与车辆和水泥地面相同的仿真参数下获取车辆目标与水泥地面之间多径散射所形成的二维雷达像；
[0092] 步骤S4、利用四路径模型对地面背景与车辆的复合散射特性进行建模；
[0093] 如图7所示，通过对各种路径散射贡献的相干累加实现地面背景与目标的复合散射求解，获取了静止状态车辆与水泥地面的复合散射二维像；
[0094] 如图8所示，以坐标原点O为起点，车辆以10m/s的速度沿着X轴正方向运动，合成孔径时间Ta＝2.4s时，获得运动状态车辆与水泥地面的复合散射二维像。
[0095] 本发明通过对地面背景散射、目标散射、以及目标与地面背景之间的多径散射贡献进行独立求解与相干累加，实现了地面背景与目标的复合散射求解，是一种行之有效的目标与背景复合散射特性建模方法。本发明通过对各个散射分量的独立求解，极大的简化了运算过程，减少了运算量，同时通过引入补偿相位的模式可实现目标的移动，即使更换目标模型也仅需对目标散射及多径散射两种散射分量进行重新计算，极大扩展了适用范围。
[0096] 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。
