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基于分区矢量输运的大体量箔条电磁散射测定方法

阅读:759发布:2020-07-03

专利汇可以提供基于分区矢量输运的大体量箔条电磁散射测定方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 属于 电子 与科学应用技术领域,公开了一种基于分区矢量输运理论的大体量箔条 云 电磁散射测定方法;结合空 气动 力 学理论对箔条云在尾流中的分布进行计算;基于箔条云空间分布模型使用K-means 算法 对其进行快速分区处理,并使用线矩量法计算每一分区域内的电磁传播衰减系数;基于分区数据和已获得的区域内传播衰减系数,在箔条云占据的整个空间区域内建立矢量输运方程并使用蒙特卡洛方法求解,利用虚拟 光子 的发射、输运、碰撞、追踪、接收过程求得矢量输运方程的统计解;基于矢量输运方程的求解结果,经过斯托克斯矢量变换处理实现散射HH、HV、VV、VH极化方式的获取。本发明克服了 现有技术 中大体量箔条云雷达散射截面计算效率不高的问题,同时,有效解决了飞机尾流中箔条云雷达散射截面计算问题。,下面是基于分区矢量输运的大体量箔条电磁散射测定方法专利的具体信息内容。

1.一种基于分区矢量输运的大体量箔条电磁散射测定方法,其特征在于,所述基于分区矢量输运的大体量箔条云电磁散射测定方法包括以下步骤:
第一步,结合空气动学理论对箔条云在尾流中的分布进行计算;
第二步,基于箔条云空间分布模型使用K-means算法进行分区处理,并使用线矩量法计算矢量输运理论所需的区域内衰减系数信息;
第三步,基于分区数据和已获得的区域内能量衰减系数,使用蒙特卡洛方法对矢量输运方程进行求解,使用虚拟光子发射、输运、碰撞、追踪、接收过程的方法实现矢量输运积分方程方程的快速求解;
第四步,基于矢量输运方程的求解结果,经过斯托克斯矢量或其变换实现HH、HV、VV、VH极化方式的求解。
2.如权利要求1所述的基于分区矢量输运的大体量箔条云电磁散射计算方法,其特征在于,所述基于分区矢量输运的大体量箔条云电磁散射测定方法的放入切片式三维箔条云扩散模型构建方法包括:
(1)流体力学方程的建立,基于N-S方程可以得到箔条中心点位置的运动扩散方程如下:
其中,vx和vy是沿x和y方向速度,D为扩散因子,s(r,t)为箔条云数密度
为求解上述方程,使用迎格式差分形式:
使用有限时域差分技术便可以求得箔条在每个时刻、每一截面的上的密度分布;
(2)箔条的空间指向依赖与其所在位置的速度场方向,设某根箔条所在位置的速度场可以表示为 则定义两个三个矢量:
并令,θ为箔条取向矢量与 向量的夹,为箔条取向矢量在向量 张成的平面上投影矢量与矢量 正方向的夹角,并有θ、的概率密度函数为:
依据箔条中心点生成策略和随机按概率密度生成箔条取向,便可以建立飞机尾流影响下的箔条云空间分布模型。
3.如权利要求1所述的基于分区矢量输运的大体量箔条云电磁散射测定方法,其特征在于,所述基于分区矢量输运的大体量箔条云电磁散射测定方法进行箔条云团空间分布数据读取,并基于K-means算法进行箔条云团区域划分包含以下步骤:
(1)读取箔条云的空间分布及取向信息,数据的读入格式为:
其中,(x,y,z)是箔条中心点的坐标,单位为米, 是箔条的取向,单位为弧度;
(2)K-means算法中K值决定聚类结果中类别的数量,对箔条云进行分类的依据是箔条之间的距离,其间接反映箔条云不同区域的分布数密度;箔条云分区包含:
①在箔条中心点模型中,随机选择K个中心点;
②遍历所有箔条云空间中心点数据,将每个箔条中心点归属为K个拟定中心点所对应的类别中;
③计算K个聚类中每一个子类的重心,并作为新的K个分类的中心点;
④重复步骤②、③,直至K类中心点不再变化或小于指定阈值;将箔条云进行分区。
4.如权利要求1所述的基于分区矢量输运的大体量箔条云电磁散射测定方法,其特征在于,所述基于分区矢量输运的大体量箔条云电磁散射测定方法在每个分区使用随机抽样算法,抽取相邻少量箔条利用线矩量法MoM计算电磁波在该区域内传播的极化传输损耗,并建立数据库,具体包含以下步骤:
(1)在每个分区内使用离散事件抽样算法确定后续使用MoM计算所需的箔条,具体包含以下步骤:
①在某分区中,使用均匀分布随机数种子选中该区域中某一箔条:
N(i)=unrand(1,Mi);
其中,函数unrand(1,Mi)可以依均匀分布随机产生大于等于1且小于等于Mi的正整数N(i),标记i是区域的索引号,Mi表示第i个区域箔条总数量;
②在某分区中,使用K-means算法寻找与N(i)号箔条最为临近的Q根箔条;
③使用线矩量法计算被选择的Q根箔电磁散射结果,设每根箔条被分成T段,在每一段上定义矢量基函数:
其中,xm为第m段的中点,Δxm为第m段的长度;于是所有箔条电流可以表示为:
其中,αn是待定系数, 定义在第n段之上,在其他段为零,当箔条是理想导体或PEC时,在箔条表面可建立如下电场积分方程:
其中,和 分别为场点和源点, 为入射波电场强度,使用伽辽金法进行检验,得到:
其中,L是积分方程线性算子,建立矩阵方程:
[lmn][αn]=[gm];
其中:
求解上述矩阵方程,得到Q根箔条表面的电流分布:
求得散射远场,并确定Q根箔条的远场雷达散射截面:
④在获取Q根箔条的雷达散射截面的基础上按照下面的式子计算损耗系数κ:
κ=-nσ;
其中,n是单位体积箔条的数密度,针对不同的分区,使用相同的方法进行计算即可;
对于不同极化,损耗系数计算时只需要取入射场和散射场的不同极化分量相比:
其中, 表示散射场的垂直和平分量, 表示入射场的垂
直和水平分量。
5.如权利要求1所述的基于分区矢量输运的大体量箔条云电磁散射测定方法,其特征在于,所述基于分区矢量输运的大体量箔条云电磁散射测定方法基于Delaunay算法对上述每个分区进行三角剖分和外包络建立,并建立不同区域的外包络每个三角形顶点、法向量、中心点索引列表,建立数据库,具体包含以下步骤:
(1)二维Delaunay算法对于任意给定的点集只存在唯一的三角剖分方法,并遵循最小角最大和空外接圆”准则,基本步骤为:
①选择一箔条中心分布点P1作为三角形第一顶点,选择距离P1最近的箔条分布点作为三角形的第二顶点,记为P2;
②选择三角形的第三个顶点P3,使其与P1、P2构成的三角形的外接圆内没有其他顶点,并且,该三角形中顶点P3所张的内角最大;
③生成三个边,加入边列表,并生成第一个三角形,组建三角形表;
④从边列表中选择一个边,将改边对应的标志位设为0;从余下空间点列表中搜索一个满足:第一,该点在边所在三角形中第三个点的对侧,第二,该点和该边构成的三角形的外接圆中没有其他点,满足上述条件的点在新三角形中张角最大那一个作为P3;
⑤如果边列表中没有④中新生的边,将其加入边表尾,并设新生成边的标志位为0;如果已经存在,则设置这些边的标志位为1,将生成的三角形加入三角形表,将从④中选择的那条边标志位设为1;转至该过程的①,直至所有的边的标志位均为1;
(2)三维Delaunay算法基本实现步骤:
三角网增长算法先找出箔条云空间分布中距离最近的两点,并形成连线,然后按Delaunay三角网的判别准则找出包含此边的Delaunay三角形的另一端点,依次处理所有新生成的边,直到所有点处理完毕,三角网增长算法的基本步骤如下:
①在箔条空间分布点中任取一点,并寻找距离此点最近的点,连接两点构成初始基线,利用三角剖分准则寻找第三个点,形成初始的Delaunay三角形;
②扩展三角网格,以初始三角形的3条边为初始基线,利用外接空球准则寻找与该3条初始基线形成Delaunay三角网的3个点;
③重复步骤②,直到点集中所有的点被处理完毕;
(3)进行上述剖分后,为了寻找外包络点,采用下面的算法步骤:
①依据给定的箔条云空间数据,寻找三个维度的最大值和最小值:
xmax,xmin,ymax,ymin,zmax,zmin;
并在空间使用长方体进行剖分,每个正方体的三个方向上的边长为(Δx,Δy,Δz),于是,每个立方体区域的中心点为:

其中,ceil()函数表示向上取整数;
②由于外包络点只可能存在长方体外侧的网格中,因此可以使用收缩算法,自外向内搜索每一层盒子,遇到盒子有点存在时停下;
(4)确定外包络三角剖分外法线方向,使用连续临边外法向方向计算准则,设两相邻三角形的顶点分别为A,B,C和B,C,D;并设m,n,p是第1三角形三个顶点序号,w,g,h为第2三角形的三个顶点,按照右手螺旋定则和从小到大的顺序计算第1三角形法向量为:
若第2三角形的三个顶点的标号自小到大依次为BDC、CBD、DCB之一即可,如此继续下去,编号所有的三角形顶点,则在循环每一个三角形是,只要按照右手定则即可确定外法线方向,对于外包络中心点坐标可以使用三顶点坐标的代数均值计算。
6.如权利要求1所述的基于分区矢量输运的大体量箔条云电磁散射测定方法,其特征在于,所述基于分区矢量输运的大体量箔条云电磁散射测定方法建立模型矢量输运方程,并使用蒙特卡洛方法对该方程进行求解,包含以下步骤:
(1)考虑天线方向图的源平面产生,该步骤是后续矢量输运理论的前提和基础,包含以下步骤:
①按照外部给定的天线,读入天线的远场方向图信息;
②在给定的电磁波入射角 情况下,建立源平面的方程:
其中,源平面的中心点选为:
将外包络点在平面Π上进行投影,并再次使用Delaunay算法给出平面外包络;
③使用菲波那契网格,及其产生的外包络产生源平面上的采样点,在源平面上按照下面的方式定义坐标系
并将其单位化:
记外包络的各顶点的位置矢量为(xi,outline,yi,outline,zi,outline),将其在上述定义的矢量上投影,寻找 和 维度平面上寻找可以包含所有外包络点的圆形,记其半径为Rmin,则使用菲波那契网格策略可以产生网格为:
同时需要判定,如果产生的点(vn,wn)不在最大外包络内,则将其剔除;
④依据方向函数和离散事件抽样方法就行源发射点抽样,设在指定的外包络内使用菲波那契网热产生的离散点为P(i),每个点对应的归一化方向图值为Q(i),则可以按照下面的方式产生源抽样;
计算累积概率:
按照均匀分布产生一随机数:
randnumber=rand();
其中,函数可产生[0,1]区间内的随机数;若M(m)≤randnumber≤M(m+1),则被抽取的源点序号为m,其对应的点坐标为P(m);
(2)源发射光子与箔条云外三角剖分面相交判定;已经抽取源点:
P(m)=(xsm,ysm,zsm);
并已知入射波的传播方向为:
则写出粒子运动的直线方程为:
x=xsm+t·nx,y=ysm+t·ny,z=zsm+t·nz;
其中,t为参数;
某外包络三角形与直线判交方法为,设需要判交的三角形的三个顶点可记为TR1,TR2,TR3,则三角形内部的点表示为:
将已经推导的直线表达式代入得到:
λ1(TR1-TR2)+λ2(TR1-TR3)+tnxnynz=TR1-Pm);
简写为:
λ1a+λ2b+tc=d;
写成矩阵形式为:
解为:
如果λ1,λ2∈[0,1],则射线和箔条云外包络有交点,当有多个交点时,需要使用最小t法则判断第一交点;
(3)光子与在箔条云中依概率传输,使用蒙特卡洛方法求解矢量输运方程实现,设n根箔条随机分布在长为ds,体积为dv的柱形体单元中,一辐射强度为I的电磁波通过该单元,由能量守恒定律可以得到该电磁波辐射强度的变化量为:
其中, 是入射强度 和散射强度 之间的过渡系数或矩阵,上式的第一
项指的是由于箔条吸收κas、散射κs、背景吸收κab导致的能量耗散,第二项表示的是空间其他辐射源辐射的能量,第三项表示的是多散射体耦合散射在 方向上的散射强度总和,其中:
如果在空间中,箔条的占空比为fs,则背景的吸收系数表示为:
κab=2k″·(1-fs),k″是波数虚部
箔条吸收率是箔条损耗场能和入射场能的比,使用损耗场 表示为:
这里引入约定俗成的四个Stokes矢量:
基于蒙特卡洛方法求解矢量输运方程包含以下步骤:
①自由程抽样,通过前面的步骤,可以得到光子第一次进入箔条云的具体位置,并按照下面的自由程公式进行抽样,得到下次碰撞光子所走路程:
其中,ξ是[0,1]之间的均匀分布随机数,Ke是消光系数
②箔条取向抽样,箔条的取向由空间角 确定,设它们服从的概率密度函数为p(θ)和 使用舍选法抽取散射方向;
首先,在θ∈[0,π], 之间按照均匀分布抽取箔条取向角 即有如下式
子:
ξ是[0,1]之间的均匀随机数;
将箔条取向角带入概率密度函数
其次,在 区间上使用上述的ξ再次产生一个均匀分布随机数P0,按照下
面的判断准则进行发射角选择:
如果上述准则给出的是拒绝 选择则需要返回第一步继续进行,直到产生满足要求的数对为止;
③散射方向抽样;基于能量守恒和舍选法进行散射方向抽样,设在某一确定的入射角下,散射的能量写为:
且:
则粒子沿着方向出射的概率密度为:
其中,表示 方向散射系数,有定义:
和选择入射方向方法一致,采用舍选法进行,基本步骤为:
首先,在θ∈[0,π], 之间按照均匀分布抽取发射角 即有如下式子:
ξ是[0,1]之间的均匀随机数;
将计算的发射角度带入概率密度函数 有:
其次,在 区间上使用上述的ξ再次产生一个均匀分布随机数P0,按照下
面的判断准则进行发射角选择:
如果上述准则给出的是“拒绝 选择”则需要返回第一步继续进行,直到产生满足要求的数对为止;
④散射传输能量获取,计算每次碰撞的衰减因子,在给定的入射波条件下,全部散射场能量写为:
这样单次碰撞前的能量Wi-1和碰撞后的能量Wi之间关系为:
重复上述①~④直到光子射出箔条云,积累足够所的光子便进行后续的数据处理,判断光子是否在云内外的基本判定方法是,从该点向任意方向发射射线,判断射线与几何体的交点个数,奇数为内,偶数则点在外部;
(4)光子出射与能量收集,连续地按照的过程产生光子、光子与散射体碰撞并追踪光子的轨迹,当光子离开散射体后将对其散射能量进行统计;
设有N个能量为1的光子被发射,有M个光子经连续碰撞逃出云团,散射方向分别为自身携带能量分别为Ii,对全空间的 对进行网格划分,θ角的步长为Δθ,角的步长为 同时有θ=mΔθ、 判断出射光子 是否进入第(m,n)单元的方法
是:
于是,在 方向接收到的总光子能量为:
对求解数据进行复数运算,得到所需要的极化数据,包含以下步骤:按照下面的方式计算雷达散射截面,在 方向的雷达散射截面表示为:
7.一种应用权利要求1~6任意一项所述基于分区矢量输运的大体量箔条云电磁散射测定方法的雷达。

说明书全文

基于分区矢量输运的大体量箔条电磁散射测定方法

技术领域

[0001] 本发明属于电子与科学应用技术领域,尤其涉及一种基于分区矢量输运的大体量箔条云电磁散射测定方法。

背景技术

[0002] 目前,最接近的现有技术:现在电磁战中,箔条云的使用历史悠久、制作简单、作用明显、成本低廉,己经广泛应用在战场中。作为敌我双方电子对抗中了作为主要侦察装备的雷达,在世界各国防御中发挥着至关重要的作用。因而现代战争特别是在未来战争中,箔条干扰技术通过在空间中释放大体量箔条,致使敌方雷达在获得的回波与目标真实的回波之间的差异较大,从而敌方雷达不能准确和快速识别目标,这种干扰方式不需要预先了解敌方雷达的特性,通用性较强,其对雷达的干扰主要有两种方式,一是通过干扰物产生回波、掩盖目标的真实回波,二是设置干扰物空间位置和结构,使他的回波与真实的目标回波相似,来诱骗敌方雷达对目标的侦査判断。
[0003] 目前,对箔条云雷达散射截面的计算主要使用半实物仿真方法、数值算法、独立散射方法、基于单箔条的散射截面的统计叠加方法。半实物仿真方法采用部分实际数据作为仿真的一部分,能够获得更加贴近实际情况的模拟结果,是一种比较可靠的仿真技术,从提出开始,就被广泛应用在系统研制和模拟实验中,数值算法(矩量法等)是求解Maxwell方程组的积分或微分形式实现箔条云团雷达散射截面的计算;独立散射方法是基于单根箔条的全空间散射特性,通过旋转变换和非相干统计叠加实现箔条云团雷达散射截面计算,当然,也有很多研究是基于实测结果展开进一步分析,通过大量实验来实现箔条云团雷达散射截面的预估和特性研究。
[0004] 综上所述,箔条云团雷达散射计算(预估)技术存在几个显著的不足:首先,基于数值算法的箔条云雷达散射截面计算虽然精确,但其需要求解大规模矩阵方程,当未知数数量到达1014数量级时,即便是超算也需要相当的时间来求解这一方程,如果计算资源(如内存、计算时间)有所限制,则将无法进行大体量箔条云电磁散射计算,同时,使用数值方法计算箔条云仅能计算统计意义下一组可能的结果,若要得到统计解,则需要反复多样本计算,这将耗费大量的人物力。其次,基于实测结果的箔条云团雷达散射截面计算具有一定的现实意义,却无法穷尽除实验外的其他可能情况,实测结果很难进行推广,尤其是飞机尾流中箔条云的扩散和散射数据罕见,致使使用现有数据对未知结果的推测算法无法实施,再次,基于独立散射的箔条云团雷达散射截面计算虽然预估速度很快,但由于箔条之间存在电磁耦合,而独立散射方法却忽略箔条间的多次耦合,使之计算结果的可信度较低,最后,在几何建模方面,由于研究问题的敏感性和尖端性,飞机尾流中的箔条云团雷达散射截面计算在公开文献中鲜见。
[0005] 综上所述,现有技术存在的问题是:
[0006] (1)基于数值算法的箔条云雷达散射截面计算由于计算资源的限制和需要求解的未知数数量巨大,导致无法计算大规模箔条云的雷达散射截面。
[0007] (2)基于实测结果的箔条云团雷达散射截面计算实测结果很难进行推广;由于箔条之间存在电磁耦合,独立散射方法忽略箔条间的多次耦合,使计算结果的可信度较低。
[0008] (3)飞机尾流中的箔条云团雷达散射截面计算在公开文献中鲜见。
[0009] 解决上述技术问题的难度:为了解决上述技术问题,主要有以下技术难点:如何在考虑箔条间耦合的情况下实现快速多极化计算是一个主要的难题。
[0010] 解决上述技术问题的意义:实现飞机尾流中箔条云团雷达散射截面的快速计算,可有效促进箔条云的使用和干扰效能提升,同时为大规模电小散射体电磁计算提供一种快速高效计算方法。

发明内容

[0011] 针对现有技术存在的问题,本发明提供了一种基于分区矢量输运的大体量箔条云电磁散射测定方法。
[0012] 本发明是这样实现的,一种基于分区矢量输运的大体量箔条云电磁散射测定方法,所述基于分区矢量输运的大体量箔条云电磁散射测定方法包括以下步骤:
[0013] 第一步,结合空气动力学理论对箔条云在尾流中的分布进行计算;
[0014] 第二步,基于箔条云空间分布模型使用K-means算法进行分区处理,并使用线矩量法计算矢量输运理论所需的区域内衰减系数信息;
[0015] 第三步,基于分区数据和获得的区域内能量衰减系数,使用蒙特卡洛方法对矢量输运方程进行求解,使用光子发射、输运、碰撞、接收过程追踪的方法实现矢量输运积分方程方程的并行快速求解;
[0016] 第四步,基于矢量输运方程的求解结果,经过斯托克斯矢量或其变换实现HH、HV、VV、VH极化方式的求解。
[0017] 进一步,所述基于分区矢量输运的大体量箔条云电磁散射测定方法的放入切片式三维箔条云扩散模型构建方法包括:
[0018] (1)流体力学方程的建立,基于N-S方程可以得到箔条中心点位置的运动扩散方程如下:
[0019]
[0020] 其中,vx和vy是沿x和y方向速度,D为扩散因子,s(r,t)为箔条云数密度
[0021] 为求解上述方程,使用迎格式差分形式:
[0022]
[0023]
[0024]
[0025] 使用有限时域差分技术便可以求得箔条在每个时刻、每一截面的上的密度分布;
[0026] (2)箔条的空间指向依赖与其所在位置的速度场方向,设某根箔条所在位置的速度场可以表示为 则定义两个三个矢量:
[0027]
[0028] 并令,θ为箔条取向矢量与 向量的夹,为箔条取向矢量在向量 张成的平面上投影矢量与矢量 正方向的夹角,并有θ、的概率密度函数为:
[0029]
[0030] 依据箔条中心点生成策略和随机按概率密度生成箔条取向,便可以建立飞机尾流影响下的箔条云空间分布模型。
[0031] 进一步,所述基于分区矢量输运的大体量箔条云电磁散射测定方法进行箔条云团空间分布数据读取,并基于K-means算法进行箔条云团区域划分包含以下步骤:
[0032] (1)读取箔条云的空间分布及取向信息,数据的读入格式为:
[0033]
[0034] 其中,(x,y,z)是箔条中心点的坐标,单位为米, 是箔条的取向,单位为弧度;
[0035] (2)K-means算法中K值决定聚类结果中类别的数量,对箔条云进行分类的依据是箔条之间的距离,其间接反映箔条云不同区域的分布数密度;箔条云分区包含:
[0036] ①在箔条中心点模型中,随机选择K个中心点;
[0037] ②遍历所有箔条云空间中心点数据,将每个箔条中心点归属为K个拟定中心点所对应的类别中;
[0038] ③计算K个聚类中每一个子类的重心,并作为新的K个分类的中心点;
[0039] ④重复步骤②、③,直至K类中心点不再变化或小于指定阈值;将箔条云进行分区。
[0040] 进一步,所述基于分区矢量输运的大体量箔条云电磁散射测定方法在每个分区使用随机抽样算法,抽取相邻少量箔条利用线矩量法MoM计算电磁波在该区域内传播的极化传输损耗,并建立数据库,具体包含以下步骤:
[0041] (1)在每个分区内使用离散事件抽样算法确定后续使用MoM计算所需的箔条,具体包含以下步骤:
[0042] ①在某分区中,使用均匀分布随机数种子选中该区域中某一箔条:
[0043] N(i)=unrand(1,Mi);
[0044] 其中,函数unrand(1,Mi)可以依均匀分布随机产生大于等于1且小于等于Mi的正整数N(i),标记i是区域的索引号,Mi表示第i个区域箔条总数量;
[0045] ②在某分区中,使用K-means算法寻找与N(i)号箔条最为临近的Q根箔条;
[0046] ③使用线矩量法计算被选择的Q根箔电磁散射结果,设每根箔条被分成T段,在每一段上定义矢量基函数:
[0047]
[0048] 其中,xm为第m段的中点,Δxm为第m段的长度。于是所有箔条电流可以表示为:
[0049]
[0050] 其中,αn是待定系数, 定义在第n段之上,在其他段为零,当箔条是理想导体或PEC时,在箔条表面可建立如下电场积分方程:
[0051]
[0052] 其中,和 分别为场点和源点, 为入射波电场强度,使用伽辽金法进行检验,得到:
[0053]
[0054] 其中,L是积分方程线性算子,建立矩阵方程:
[0055] [lmn][αn]=[gm];
[0056] 其中:
[0057]
[0058] 求解上述矩阵方程,得到Q根箔条表面的电流分布:
[0059]
[0060] 求得散射远场,并确定Q根箔条的远场雷达散射截面:
[0061]
[0062] ④在获取Q根箔条的雷达散射截面的基础上按照下面的式子计算损耗系数κ:
[0063] κ=-nσ;
[0064] 其中,n是单位体积箔条的数密度,针对不同的分区,使用相同的方法进行计算即可;
[0065] 对于不同极化,损耗系数计算时只需要取入射场和散射场的不同极化分量相比:
[0066]
[0067]
[0068] 其中, 表示散射场的垂直和平分量, 表示入射场的垂直和水平分量。
[0069] 进一步,所述基于分区矢量输运的大体量箔条云电磁散射测定方法基于Delaunay算法对上述每个分区进行三角剖分和外包络建立,并建立不同区域的外包络每个三角形顶点、法向量、中心点索引列表,建立数据库,具体包含以下步骤:
[0070] (1)二维Delaunay算法对于任意给定的点集只存在唯一的三角剖分方法,并遵循最小角最大和空外接圆”准则,基本步骤为:
[0071] ①选择一箔条中心分布点P1作为三角形第一顶点,选择距离P1最近的箔条分布点作为三角形的第二顶点,记为P2;
[0072] ②选择三角形的第三个顶点P3,使其与P1、P2构成的三角形的外接圆内没有其他顶点,并且,该三角形中顶点P3所张的内角最大;
[0073] ③生成三个边,加入边列表,并生成第一个三角形,组建三角形表;
[0074] ④从边列表中选择一个边,将改边对应的标志位设为0;从余下空间点列表中搜索一个满足:第一,该点在边所在三角形中第三个点的对侧,第二,该点和该边构成的三角形的外接圆中没有其他点,满足上述条件的点在新三角形中张角最大那一个作为P3;
[0075] ⑤如果边列表中没有④中新生的边,将其加入边表尾,并设新生成边的标志位为0;如果已经存在,则设置这些边的标志位为1,将生成的三角形加入三角形表,将从④中选择的那条边标志位设为1;转至该过程的①,直至所有的边的标志位均为1;
[0076] (2)三维Delaunay算法基本实现步骤:
[0077] 三角网增长算法先找出箔条云空间分布中距离最近的两点,并形成连线,然后按Delaunay三角网的判别准则找出包含此边的Delaunay三角形的另一端点,依次处理所有新生成的边,直到所有点处理完毕,三角网增长算法的基本步骤如下:
[0078] ①在箔条空间分布点中任取一点,并寻找距离此点最近的点,连接两点构成初始基线,利用三角剖分准则寻找第三个点,形成初始的Delaunay三角形;
[0079] ②扩展三角网格。以初始三角形的3条边为初始基线,利用外接空球准则寻找与该3条初始基线形成Delaunay三角网的3个点;
[0080] ③重复步骤②,直到点集中所有的点被处理完毕;
[0081] (3)进行上述剖分后,为了寻找外包络点,采用下面的算法步骤:
[0082] ①依据给定的箔条云空间数据,寻找三个维度的最大值和最小值:
[0083] xmax,xmin,ymax,ymin,zmax,zmin;
[0084] 并在空间使用长方体进行剖分,每个正方体的三个方向上的边长为(Δx,Δy,Δz),于是,每个立方体区域的中心点为:
[0085] 且
[0086] 其中,ceil()函数表示向上取整数;
[0087] ②由于外包络点只可能存在长方体外侧的网格中,因此可以使用收缩算法,自外向内搜索每一层盒子,遇到盒子有点存在时停下;
[0088] (4)确定外包络三角剖分外法线方向,使用连续临边外法向方向计算准则,设两相邻三角形的顶点分别为A,B,C和B,C,D。并设m,n,p是第1三角形三个顶点序号,w,g,h为第2三角形的三个顶点,按照右手螺旋定则和从小到大的顺序计算第1三角形法向量为:
[0089]
[0090] 若第2三角形的三个顶点的标号自小到大依次为BDC、CBD、DCB之一即可,如此继续下去,编号所有的三角形顶点,则在循环每一个三角形是,只要按照右手定则即可确定外法线方向,对于外包络中心点坐标可以使用三顶点坐标的代数均值计算。
[0091] 进一步,所述基于分区矢量输运的大体量箔条云电磁散射测定方法建立模型矢量输运方程,并使用蒙特卡洛方法对该方程进行求解,包含以下步骤:
[0092] (1)考虑天线方向图的源平面产生,该步骤是后续矢量输运理论的前提和基础,包含以下步骤:
[0093] ①按照外部给定的天线,读入天线的远场方向图信息;
[0094] ②在给定的电磁波入射角 情况下,建立源平面的方程:
[0095]
[0096] 其中,源平面的中心点选为:
[0097]
[0098] 将外包络点在平面Π上进行投影,并再次使用Delaunay算法给出平面外包络;
[0099] ③使用菲波那契网格,及其产生的外包络产生源平面上的采样点,在源平面上按照下面的方式定义坐标系
[0100]
[0101] 并将其单位化:
[0102]
[0103] 记外包络的各顶点的位置矢量为(xi,outline,yi,outline,zi,outline),将其在上述定义的矢量上投影,寻找 和 维度平面上寻找可以包含所有外包络点的圆形,记其半径为Rmin,则使用菲波那契网格策略可以产生网格为:
[0104]
[0105] 同时需要判定,如果产生的点(vn,wn)不在最大外包络内,则将其剔除;
[0106] ④依据方向函数和离散事件抽样方法就行源发射点抽样,设在指定的外包络内使用菲波那契网热产生的离散点为P(i),每个点对应的归一化方向图值为Q(i),则可以按照下面的方式产生源抽样;
[0107] 计算累积概率:
[0108]
[0109] 按照均匀分布产生一随机数:
[0110] randnumber=rand();
[0111] 其中,函数可产生[0,1]区间内的随机数;若M(m)≤randnumber≤M(m+1),则被抽取的源点序号为m,其对应的点坐标为P(m);
[0112] (2)源发射光子与箔条云外三角剖分面相交判定。上述步骤已经抽取源点:
[0113] P(m)=(xsm,ysm,zsm);
[0114] 并已知入射波的传播方向为:
[0115]
[0116] 则写出粒子运动的直线方程为:
[0117] x=xsm+t·nx,y=ysm+t·ny,z=zsm+t·nz;
[0118] 其中,t为参数;
[0119] 某外包络三角形与直线判交方法为,设需要判交的三角形的三个顶点可记为TR1,TR2,TR3,则三角形内部的点表示为:
[0120]
[0121] 将已经推导的直线表达式代入得到:
[0122] λ1(TR1-TR2)+λ2(TR1-TR3)+t nx ny nz=TR1-P m);
[0123] 简写为:
[0124] λ1a+λ2b+tc=d;
[0125] 写成矩阵形式为:
[0126]
[0127] 解为:
[0128]
[0129] 如果λ1,λ2∈[0,1],则射线和箔条云外包络有交点,当有多个交点时,需要使用最小t法则判断第一交点;
[0130] (3)光子与在箔条云中依概率传输,使用蒙特卡洛方法求解矢量输运方程实现,设n根箔条随机分布在长为ds,体积为dv的柱形体单元中,一辐射强度为I的电磁波通过该单元,由能量守恒定律可以得到该电磁波辐射强度的变化量为:
[0131]
[0132] 其中, 是入射强度 和散射强度 之间的过渡系数或矩阵,上式的第一项指的是由于箔条吸收κas、散射κs、背景吸收κab导致的能量耗散,第二项表示的是空间其他辐射源辐射的能量,第三项表示的是多散射体耦合散射在 方向上的散射强度总和,其中:
[0133]
[0134] 如果在空间中,箔条的占空比为fs,则背景的吸收系数表示为:
[0135] κab=2k″·(1-fs),k″是波数虚部
[0136] 箔条吸收率是箔条损耗场能和入射场能的比,使用损耗场 表示为:
[0137]
[0138] 这里引入约定俗成的四个Stokes矢量:
[0139]
[0140] 基于蒙特卡洛方法求解矢量输运方程包含以下步骤:
[0141] ①自由程抽样。通过前面的步骤,可以得到光子第一次进入箔条云的具体位置,并按照下面的自由程公式进行抽样,得到下次碰撞光子所走路程:
[0142]
[0143] 其中,ξ是[0,1]之间的均匀分布随机数,Ke是消光系数
[0144] ②箔条取向抽样。箔条的取向由空间角 确定,设它们服从的概率密度函数为p(θ)和 使用舍选法抽取散射方向;
[0145] 首先,在θ∈[0,π], 之间按照均匀分布抽取箔条取向角 即有如下式子:
[0146] ξ是[0,1]之间的均匀随机数;
[0147] 将箔条取向角带入概率密度函数
[0148] 其次,在 区间上使用上述的ξ再次产生一个均匀分布随机数P0,按照下面的判断准则进行发射角选择:
[0149]
[0150] 如果上述准则给出的是拒绝 选择则需要返回第一步继续进行,直到产生满足要求的数对为止;
[0151] ③散射方向抽样;基于能量守恒和舍选法进行散射方向抽样,设在某一确定的入射角 下,散射的能量写为:
[0152]
[0153] 且:
[0154]
[0155] 则粒子沿着方向出射的概率密度为:
[0156]
[0157] 其中,表示 方向散射系数,有定义:
[0158]
[0159] 和选择入射方向方法一致,采用舍选法进行,基本步骤为:
[0160] 首先,在θ∈[0,π], 之间按照均匀分布抽取发射角 即有如下式子:
[0161] ξ是[0,1]之间的均匀随机数;
[0162] 将计算的发射角度带入概率密度函数 有:
[0163]
[0164] 其次,在 区间上使用上述的ξ再次产生一个均匀分布随机数P0,按照下面的判断准则进行发射角选择:
[0165]
[0166] 如果上述准则给出的是“拒绝 选择”则需要返回第一步继续进行,直到产生满足要求的数对为止;
[0167] ④散射传输能量获取,计算每次碰撞的衰减因子,在给定的入射波条件下,全部散射场能量写为:
[0168]
[0169] 这样单次碰撞前的能量Wi-1和碰撞后的能量Wi之间关系为:
[0170]
[0171] 重复上述①~④直到光子射出箔条云,积累足够所的光子便进行后续的数据处理,判断光子是否在云内外的基本判定方法是,从该点向任意方向发射射线,判断射线与几何体的交点个数,奇数为内,偶数则点在外部;
[0172] (4)光子出射与能量收集,连续地按照的过程产生光子、光子与散射体碰撞并追踪光子的轨迹,当光子离开散射体后将对其散射能量进行统计;
[0173] 设有N个能量为1的光子被发射,有M个光子经连续碰撞逃出云团,散射方向分别为自身携带能量分别为Ii,对全空间的 对进行网格划分,θ角的步长为Δθ, 角的步长为 同时有θ=mΔθ、 判断出射光子 是否进入第(m,n)单元的方法是:
[0174]
[0175] 于是,在 方向接收到的总光子能量为:
[0176]
[0177] 对求解数据进行复数运算,得到所需要的极化数据,包含以下步骤:按照下面的方式计算雷达散射截面,在 方向的雷达散射截面表示为:
[0178]
[0179] 本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于分区矢量输运的大体量箔条云电磁散射测定方法的雷达。
[0180] 综上所述,本发明的优点及积极效果为:本发明使用流体力学扩散方程对箔条云团的密度分布进行了计算,以介质的运动替代单根箔条的运动,大大降低仿真资源消耗,提高模型建立效率。
[0181] 表1 研究进展对比表
[0182]序号 对比项目 研究者 本发明 备注
6 9
1 箔条数量 10 10 吕萌萌等
2 箔条云形态 球形 任意形状 李金梁等
3 箔条尾流扩散 未见报道 可以实现 —
[0183] 本发明基于Delaunay算法对箔条云团进行分区处理,提升的模型的处理效率,并将射线判交方法以内算法之内,提高了散射算法的适应性和效率。
[0184] 本发明使用蒙特卡洛方法对矢量输运方程进行求解,原理简单可操作性强,便于后续数据处理,在指定的仿真数目内可实现全双站、全极化雷达散射截面获取。附图说明
[0185] 图1是本发明实施例提供的基于分区矢量输运的大体量箔条云电磁散射测定方法的流程图
[0186] 图2是本发明实施例提供的基于分区矢量输运的大体量箔条云电磁散射测定方法实现流程图。
[0187] 图3是本发明实施例提供的活动特征数据库构造模子流程图。
[0188] 图4是本发明实施例提供的室内环境变化信息提取模块子流程图。
[0189] 图5是本发明实施例提供的活动监测模块子流程图。
[0190] 图6是本发明实施例提供的活动特征提取模块子流程图。
[0191] 图7是本发明实施例提供的活动识别模块子流程图。
[0192] 图8是本发明实施例提供的与现有两种室内人员活动识别方法仿真结果对比图。
[0193] 图9是本发明实施例提供的当实验环境不变时,对是否基于主成分分析的人员活动识别进行仿真对比图。
[0194] 图10是本发明实施例提供的喇叭与箔条云关系图。
[0195] 图11是本发明实施例提供的喇叭天线近场平面能量分布示意图。
[0196] 图12是本发明实施例提供的箔条云全空间RCS分布图。
[0197] 图13是本发明实施例提供的切面H极化示意图。
[0198] 图14是本发明实施例提供的切面V极化示意图。
[0199] 图15是本发明实施例提供的喇叭天线近场平面能量分布示意图。
[0200] 图16是本发明实施例提供的箔条云全空间RCS分布图。
[0201] 图17是本发明实施例提供的切面H极化示意图。
[0202] 图18是本发明实施例提供的切面V极化示意图。
[0203] 图19是本发明实施例提供的喇叭天线近场平面能量分布示意图。
[0204] 图20是本发明实施例提供的箔条云全空间RCS分布图。
[0205] 图21是本发明实施例提供的切面H极化示意图。
[0206] 图22是本发明实施例提供的切面V极化示意图。
[0207] 图23是本发明实施例提供的喇叭天线近场平面能量分布示意图。
[0208] 图24是本发明实施例提供的箔条云全空间RCS分布图。
[0209] 图25是本发明实施例提供的切面H极化示意图。
[0210] 图26是本发明实施例提供的切面V极化示意图。

具体实施方式

[0211] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
[0212] 针对现有技术存在的问题,本发明提供了一种基于分区矢量输运的大体量箔条云电磁散射测定方法,下面结合附图对本发明作详细的描述。
[0213] 如图1所示,本发明实施例提供的基于分区矢量输运的大体量箔条云电磁散射测定方法包括以下步骤:
[0214] S101:结合空气动力学理论对箔条云在尾流中的分布进行计算;
[0215] S102:基于箔条云空间分布模型使用K-means算法对其进行分区处理,并使用线矩量法计算矢量输运理论所需的区域内衰减系数信息;
[0216] S103:基于分区数据和获得的区域内能量衰减系数,使用蒙特卡洛方法对矢量输运方程进行求解,使用光子发射、输运、碰撞、接收过程追踪的方法实现矢量输运积分方程方程的快速求解;
[0217] S104:基于矢量输运方程的求解结果,经过斯托克斯矢量或其变换实现HH、HV、VV、VH极化方式的求解。
[0218] 下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。
[0219] 本发明以解决大体量全极化箔条云团电磁散射(雷达散射截面)问题;使用流体力学方程衍生的扩散方程对箔条云团几何分布进行复现,接着利用Delaunay算法、K-means算法对云团按照指定的分类标准进行分类,之后基于矢量输运理论和蒙特卡洛方法对箔条云单、双站电磁散射(雷达散射截面)进行计算,最终经过复数运算得到各极化散射特性(雷达散射截面)。
[0220] 下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。算法的基本原理框图如图2所示。
[0221] (1)预处理,如图3,飞机尾流中箔条云团扩散模型的建立。由于大体量箔条云团可以被认为是随机介质,考虑到飞机尾涡速度仅沿投放方向的切向方向,因此可以建立一个切片式三维箔条云扩散模型。
[0222] (1.1)流体力学方程的建立,基于N-S方程可以得到箔条中心点位置的运动扩散方程如下:
[0223]
[0224] 其中,vx和vy是沿x和y方向速度,D为扩散因子,s(r,t)为箔条云数密度。
[0225] 为求解上述方程,可以使用迎风格式差分形式:
[0226]
[0227]
[0228]
[0229] 使用有限时域差分技术便可以求得箔条在每个时刻、每一截面的上的密度分布。
[0230] (1.2)箔条的空间指向依赖与其所在位置的速度场方向,设某根箔条所在位置的速度场可以表示为 则定义两个三个矢量:
[0231]
[0232] 并令,θ为箔条取向矢量与 向量的夹角,为箔条取向矢量在向量 张成的平面上投影矢量与矢量 正方向的夹角,并有θ、的概率密度函数为:
[0233]
[0234] 依据箔条中心点生成策略和随机按概率密度生成箔条取向,便可以建立飞机尾流影响下的箔条云空间分布模型。
[0235] (2)如图4,进行箔条云团空间分布数据读取,并基于K-means算法进行箔条云团区域划分包含以下步骤:
[0236] (2.1)读取箔条云的空间分布及取向信息,数据的读入格式为(如表2所示):
[0237]
[0238] 其中,(x,y,z)是箔条中心点的坐标,单位为米, 是箔条的取向,单位为弧度。
[0239] 表2箔条云数据存储格式表
[0240]
[0241] (2.2)K-means算法中K值决定聚类结果中类别的数量,一般根据工程实际选择。对箔条云进行分类的依据是箔条之间的距离,其间接反映箔条云不同区域的分布数密度,箔条云分区包含下面的几个步骤:
[0242] ①在箔条中心点模型(数据)中,随机选择K个中心点;
[0243] ②遍历所有箔条云空间中心点数据,将每个箔条中心点归属为K个拟定中心点所对应的类别中;
[0244] ③计算K个聚类中每一个子类的重心,并作为新的K个分类的中心点;
[0245] ④重复步骤②、③,直至K类中心点不再变化(或小于指定阈值);这样便可按照要求将箔条云进行分区。分区后数据存储格式如表3所示。
[0246] 表3箔条云数据分区标记存储格式表
[0247]序号 x y z 区号
1        
2        
…… …… …… ……  
[0248] (3)如图5,在每个分区使用随机抽样算法,抽取相邻少量箔条利用线矩量法(MoM)计算电磁波在该区域内传播的极化传输损耗(衰减系数),并建立数据库,包含以下步骤:
[0249] (3.1)在每个分区内使用离散事件抽样算法确定后续使用MoM计算所需的箔条,其具体包含以下步骤:
[0250] ①在某分区中,使用均匀分布随机数种子选中该区域中某一箔条,即:
[0251] N(i)=unrand(1,Mi);
[0252] 其中,函数unrand(1,Mi)可以依均匀分布随机产生大于等于1且小于等于Mi的正整数N(i),标记i是区域的索引号,Mi表示第i个区域箔条总数量;
[0253] ②在某分区中,使用K-means算法寻找与N(i)号箔条最为临近的Q根箔条;
[0254] ③使用线矩量法计算被选择的Q根箔电磁散射结果,设每根箔条被分成T段,在每一段上定义矢量基函数:
[0255]
[0256] 其中,xm为第m段的中点,Δxm为第m段的长度。于是所有箔条电流可以表示为:
[0257]
[0258] 其中,αn是待定系数, 定义在第n段之上,在其他段为零,当箔条是理想导体(或PEC)时,在箔条表面可建立如下电场积分方程:
[0259]
[0260] 其中,和 分别为场点和源点, 为入射波电场强度,使用伽辽金法进行检验,可以得到:
[0261]
[0262] 其中,L是积分方程线性算子,在此基础上可以建立矩阵方程:
[0263] [lmn][αn]=[gm];
[0264] 其中:
[0265]
[0266] 求解上述矩阵方程,可以得到Q根箔条表面的电流分布,在此基础上使用:
[0267]
[0268] 求得散射远场,并确定Q根箔条的远场雷达散射截面:
[0269]
[0270] ④在获取Q根箔条的雷达散射截面的基础上按照下面的式子计算损耗系数κ:
[0271] κ=-nσ;
[0272] 其中,n是单位体积箔条的数密度,针对不同的分区,使用相同的方法进行计算即可。
[0273] 对于不同极化,损耗系数计算时只需要取入射场和散射场的不同极化分量相比,即:
[0274]
[0275]
[0276] 其中, 表示散射场的垂直和水平分量, 表示入射场的垂直和水平分量。
[0277] (4)如图6,基于Delaunay算法对上述每个分区进行三角剖分和外包络建立,并建立不同区域的外包络每个三角形顶点、法向量、中心点索引列表,建立数据库,具体包含以下步骤:
[0278] (4.1)二维(网增长)Delaunay算法对于任意给定的点集只存在唯一的三角剖分方法,并遵循“最小角最大”和“空外接圆”准则,基本步骤为:
[0279] ①选择一箔条中心分布点P1作为三角形第一顶点,选择距离P1最近的箔条分布点作为三角形的第二顶点,记为P2;
[0280] ②选择三角形的第三个顶点P3,使其与P1、P2构成的三角形的外接圆内没有其他顶点,并且,该三角形中顶点P3所张的内角最大;
[0281] ③生成三个边,加入边列表,并生成第一个三角形,组建三角形表;
[0282] ④从边列表中选择一个边,将改边对应的标志位设为0;从余下空间点列表中搜索一个满足:第一,该点在边所在三角形中第三个点的对侧,第二,该点和该边构成的三角形的外接圆中没有其他点,满足上述条件的点在新三角形中张角最大那一个作为P3;
[0283] ⑤如果边列表中没有④中新生的边,将其加入边表尾,并设新生成边的标志位为0;如果已经存在,则设置这些边的标志位为1,将生成的三角形加入三角形表,将从④中选择的那条边标志位设为1;转至该过程的①,直至所有的边的标志位均为1。
[0284] (4.2)三维(网增长)Delaunay算法基本实现步骤:
[0285] 三角网增长算法先找出箔条云空间分布中距离最近的两点,并形成连线(即Delaunay边),然后按Delaunay三角网的判别准则找出包含此边的Delaunay三角形的另一端点,依次处理所有新生成的边,直到所有点处理完毕,三角网增长算法的基本步骤如下:
[0286] ①在箔条空间分布点中任取一点,并寻找距离此点最近的点,连接两点构成初始基线,利用三角剖分准则寻找第三个点,形成初始的Delaunay三角形。
[0287] ②扩展三角网格。以初始三角形的3条边为初始基线,利用外接空球准则寻找与该3条初始基线形成Delaunay三角网的3个点。
[0288] ③重复步骤②,直到点集中所有的点被处理完毕。
[0289] (4.3)进行上述剖分后,为了寻找外包络点(外包络三角形),可以采用下面的算法步骤:
[0290] ①依据给定的箔条云空间数据,寻找三个维度的最大值和最小值:
[0291] xmax,xmin,ymax,ymin,zmax,zmin;
[0292] 并在空间使用长方体进行剖分,每个正方体的三个方向上的边长为(Δx,Δy,Δz),于是,每个立方体区域的中心点为:
[0293] 且
[0294] 其中,ceil()函数表示向上取整数。
[0295] ②由于外包络点只可能存在长方体外侧的网格中,因此可以使用收缩算法,自外向内搜索每一层盒子,遇到盒子有点存在时停下。最外层长方体盒子判断为例,有:
[0296] 表4 外包络点判定
[0297]
[0298] (4.4)确定外包络三角剖分外法线方向。使用连续临边外法向方向计算准则,设两相邻三角形的顶点分别为A,B,C和B,C,D。并设m,n,p是第1三角形三个顶点序号,w,g,h为第2三角形的三个顶点,按照右手螺旋定则和从小到大的顺序计算第1三角形法向量为:
[0299]
[0300] 若第2三角形的三个顶点的标号自小到大依次为BDC、CBD、DCB之一即可,如此继续下去,编号所有的三角形顶点,则在循环每一个三角形是,只要按照右手定则即可确定外法线方向,对于外包络中心点坐标可以使用三顶点坐标的代数均值计算。
[0301] (5)如图7,建立模型矢量输运方程,并使用蒙特卡洛方法对该方程进行求解,包含以下步骤:
[0302] (5.1)考虑天线方向图的源平面产生,该步骤是后续矢量输运理论的前提和基础,主要包含以下步骤:
[0303] ①按照外部给定的天线,读入天线的远场方向图信息,并按照表5所示格式存储以备使用,其中θ、是天线远场方向角,Etheta和Ephi是远场指定位置电场的 和 分量。
[0304] 表5 天线方向图信息数据存储格式表
[0305]
[0306]
[0307] ②在给定的电磁波入射角 情况下,可以建立源平面的方程:
[0308]
[0309] 其中,源平面的中心点可以选为:
[0310]
[0311] 上述的步骤已经获得给定箔条云团的外包络及其剖分,将外包络点在平面Π上进行投影,并再次使用Delaunay算法给出平面外包络。
[0312] ③使用菲波那契网格,及其上一步产生的外包络产生源平面上的采样点,在源平面上按照下面的方式定义坐标系:
[0313]
[0314] 并将其单位化:
[0315]
[0316] 记外包络的各顶点的位置矢量为(xi,outline,yi,outline,zi,outline),将其在上述定义的矢量上投影,寻找 和 维度平面上寻找可以包含所有外包络点的圆形,记其半径为Rmin,则使用菲波那契网格策略可以产生网格为:
[0317]
[0318] 同时需要判定,如果产生的点(vn,wn)不在最大外包络内,则将其剔除。
[0319] ④依据方向函数和离散事件抽样方法就行源发射点抽样,设在指定的外包络内使用菲波那契网热产生的离散点为P(i),每个点对应的归一化方向图值为Q(i),则可以按照下面的方式产生源抽样。
[0320] 计算累积概率:
[0321]
[0322] 按照均匀分布产生一随机数:
[0323] randnumber=rand();
[0324] 其中,函数可产生[0,1]区间内的随机数。若M(m)≤randnumber≤M(m+1),则被抽取的源点序号为m,其对应的点坐标为P(m)。
[0325] (5.2)源发射光子与箔条云外三角剖分面相交判定。上述步骤已经抽取源点:
[0326] P(m)=(xsm,ysm,zsm);
[0327] 并已知入射波的传播方向为:
[0328]
[0329] 则可以写出粒子运动的直线方程为:
[0330] x=xsm+t·nx,y=ysm+t·ny,z=zsm+t·nz;
[0331] 其中,t为参数。
[0332] 某外包络三角形与直线判交方法为,设需要判交的三角形的三个顶点可记为TR1,TR2,TR3,则三角形内部的点可以表示为:
[0333]
[0334] 将已经推导的直线表达式代入可以得到:
[0335] λ1(TR1-TR2)+λ2(TR1-TR3)+t nx ny nz=TR1-P m);
[0336] 不妨简写为:
[0337] λ1a+λ2b+tc=d;
[0338] 写成矩阵形式为:
[0339]
[0340] 其解为:
[0341]
[0342] 如果λ1,λ2∈[0,1],则射线和箔条云外包络有交点,当有多个交点时,需要使用最小t法则判断第一交点。
[0343] (5.3)光子与在箔条云中依概率传输,使用蒙特卡洛方法求解矢量输运方程实现,设n根箔条随机分布在长为ds,体积为dv的柱形体单元中,一辐射强度为I的电磁波通过该单元,由能量守恒定律可以得到该电磁波辐射强度的变化量为:
[0344]
[0345] 其中, 是入射强度 和散射强度 之间的过渡系数或矩阵,上式的第一项指的是由于箔条吸收κas、散射κs、背景吸收κab导致的能量耗散,第二项表示的是空间其他辐射源辐射的能量,第三项表示的是多散射体耦合散射在 方向上的散射强度总和,其中:
[0346]
[0347] 如果在空间中,箔条的占空比为fs,则背景的吸收系数可以表示为:
[0348] κab=2k″·(1-fs),k″是波数的 虚部;
[0349] 箔条吸收率是箔条损耗场能和入射场能的比,使用损耗场 表示为:
[0350]
[0351] 这里引入约定俗成的四个Stokes矢量:
[0352]
[0353] 基于蒙特卡洛方法求解矢量输运方程包含以下步骤:
[0354] ①自由程抽样。通过前面的步骤,可以得到光子第一次进入箔条云的具体位置,并按照下面的自由程公式进行抽样,得到下次碰撞光子所走路程:
[0355]
[0356] 其中,ξ是[0,1]之间的均匀分布随机数,Ke是消光系数;
[0357] ②箔条取向抽样。箔条的取向由空间角 确定,设它们服从的概率密度函数为p(θ)和 使用舍选法抽取散射方向;
[0358] 首先,在θ∈[0,π], 之间按照均匀分布抽取箔条取向角 即有如下式子:
[0359] ξ是[0,1]之间的均匀随机数;
[0360] 将箔条取向角带入概率密度函数
[0361] 其次,在 区间上使用上述的ξ再次产生一个均匀分布随机数P0,按照下面的判断准则进行发射角选择:
[0362]
[0363] 如果上述准则给出的是“拒绝 选择”则需要返回第一步继续进行,直到产生满足要求的数对为止。
[0364] ③散射方向抽样。基于能量守恒和舍选法进行散射方向抽样,设在某一确定的入射角 下,散射的能量可以写为:
[0365]
[0366] 且:
[0367]
[0368] 则粒子沿着方向出射的概率密度为:
[0369]
[0370] 其中,表示 方向散射系数,有定义:
[0371]
[0372] 和上文中选择入射方向方法一致,采用舍选法进行,基本步骤为:
[0373] 首先,在θ∈[0,π], 之间按照均匀分布抽取发射角 即有如下式子:
[0374] ξ是[0,1]之间的均匀随机数;
[0375] 将计算的发射角度带入概率密度函数 有:
[0376]
[0377] 其次,在 区间上使用上述的ξ再次产生一个均匀分布随机数P0,按照下面的判断准则进行发射角选择:
[0378]
[0379] 如果上述准则给出的是“拒绝 选择”则需要返回第一步继续进行,直到产生满足要求的数对为止。
[0380] ④散射传输能量获取。即计算每次碰撞的衰减因子,在给定的入射波条件下,全部散射场能量可以写为:
[0381]
[0382] 这样单次碰撞前的能量Wi-1和碰撞后的能量Wi之间关系为:
[0383]
[0384] 重复上述①~④直到光子射出箔条云,积累足够所的光子便可以进行后续的数据处理,判断光子是否在云内外的基本判定方法是,从该点向任意方向发射射线,判断射线与几何体的交点个数,奇数为内,偶数则点在外部。
[0385] (5.4)光子出射与能量收集。连续地按照上述的过程产生光子、光子与散射体碰撞(能量损失)并追踪光子的轨迹,当光子离开散射体后我们将对其散射能量进行统计。
[0386] 设有N个能量为1的光子被发射,有M个光子经连续碰撞逃出云团,散射方向分别为自身携带能量分别为Ii,对全空间的 对进行网格划分,θ角的步长为Δθ, 角的步长为 可以简单地用图22所示的坐标系表示,同时有θ=mΔθ、 判断出射光子 是否进入第(m,n)单元的方法是:
[0387]
[0388] 于是,在 方向接收到的总光子能量为:
[0389]
[0390] (5)进一步,对求解数据进行复数运算,得到所需要的极化数据,包含以下步骤:见于上述stokes矢量的定义,可以按照下面的方式计算雷达散射截面,在 方向的雷达散射截面可以表示为:
[0391]
[0392] 下面结合仿真对本发明的应用效果作详细的描述。
[0393] 一、仿真条件:仿真采用不同分布正态尾流箔条云,参数如表6所示,不同的波束使用不同的天线产生,箔条云至于源点(如图8所示),一种可能的天线方向图形式如图9所示,天线与箔条云的位置关系如图10所示。
[0394] 表6 实验条件一览表
[0395]
[0396] 二、仿真内容与结果
[0397] 仿真1,采用表5中1号实验参数,结果如图11~图14所示,这里展示单、双站结果,其中图11是源发射平面的能量分布,图12是箔条云的双站散射特性,图13~图14为一切面H极化和V极化雷达散射截面,和实测结果相比,两种极化误差在10%以内。
[0398] 仿真2,采用表5中2号实验参数,结果如图15~图18所示,这里展示单、双站结果,其中图15是源发射平面的能量分布,图16是箔条云的双站散射特性,图17~图18为一切面H极化和V极化雷达散射截面,和实测结果相比,两种极化误差在15%以内。
[0399] 仿真3,采用表5中3号实验参数,结果如图19~图22所示,这里展示单、双站结果,其中图19是源发射平面的能量分布,图20是箔条云的双站散射特性,图21~图22为一切面H极化和V极化雷达散射截面,和实测结果相比,两种极化误差在13%以内。
[0400] 仿真4,采用表5中4号实验参数,结果如图23~图26所示,这里展示单、双站结果,其中图23是源发射平面的能量分布,图24是箔条云的双站散射特性,图25~图26为一切面H极化和V极化雷达散射截面,和实测结果相比,两种极化误差在10%以内。
[0401] 下面结合实验对本发明的应用效果详细的描述。
[0402] 通过一系列的实验仿真对系统性能进行了评估,对大体量箔条云散射进行计算,在相同的条件下,鲜见公开报道的对比结果,与实测结果对比,上述四种仿真的误差均在15%以内,由于行业公开箔条云散射计算结果,因此本发明的适用性和准确度都较高,对于简单类型的大体量箔条云本发明效果更好。
[0403] 下面结合对比表格对本发明的技术效果作详细的描述。
[0404] 表7 典型模型可靠性验证
[0405]序号 实验条件 计算值/测量值 本发明
1 1000根,正方体,均匀分布 -10dBsm -12dBsm
2 1000根,锥形,非均匀分布 0.5dBsm 0.9dBsm
3 100000根,球形,均匀分布 12.12dB 9.1dB
[0406] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
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