基于GRECO和射線追蹤的介質(zhì)散射特性計(jì)算

方 寧 王帥雷 王 谷

(北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100191)

汪陶勝

(空軍裝備研究院 通信導(dǎo)航與指揮自動(dòng)化研究所，北京 100083)

基于GRECO和射線追蹤的介質(zhì)散射特性計(jì)算

方 寧 王帥雷 王 谷

(北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100191)

汪陶勝

(空軍裝備研究院 通信導(dǎo)航與指揮自動(dòng)化研究所，北京 100083)

在計(jì)算介質(zhì)目標(biāo)雷達(dá)散射特性的眾多方法中，圖形電磁學(xué)和射線追蹤技術(shù)是計(jì)算高頻區(qū)散射特性的兩種有效方法.將兩種方法有效地結(jié)合:首先通過OpenGL的光照模型和消隱，將介質(zhì)目標(biāo)的外形顯示在屏幕上，并從緩存區(qū)中獲取有效像素的顏色分量和位置信息，計(jì)算一次散射效應(yīng)，然后將這些信息作為起始點(diǎn)信息，利用射線追蹤技術(shù)計(jì)算多次散射效應(yīng)，最后疊加一次、多次散射效應(yīng)得到總散射特性.對圓柱、球的仿真結(jié)果證明了該方法的有效性和可行性.

雷達(dá)散射截面;介質(zhì);圖形電磁學(xué)

在雷達(dá)目標(biāo)特性研究領(lǐng)域里，眾多研究學(xué)者都對各種目標(biāo)的雷達(dá)散射特性進(jìn)行了深入、細(xì)致地研究，使得目標(biāo)散射特性計(jì)算方法步入成熟階段，為各種工程應(yīng)用提供理論基礎(chǔ).尤其在高頻區(qū)域，幾何光學(xué)、幾何繞射理論、物理光學(xué)、物理繞射理論等高頻散射理論更適合工程應(yīng)用［1－4］.由它們引申出來的圖形電磁學(xué)［5］(GRECO，Graphic E-lectro magnetic Computation)又使計(jì)算速度大幅提高.但圖形電磁學(xué)僅限于金屬目標(biāo)或涂覆目標(biāo)的雷達(dá)散射特性計(jì)算.為了使GRECO能夠計(jì)算各向同性介質(zhì)目標(biāo)的散射特性，本文將射線追蹤和GRECO相結(jié)合，提出一種混合計(jì)算方法，在充分利用兩種方法各自特色的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)像素級的射線追蹤.

1 基本理論

1.1 圖形電磁學(xué)

圖形電磁學(xué)的特色是像素級的散射中心數(shù)目和計(jì)算過程的可視化.在GRECO中目標(biāo)視點(diǎn)總是設(shè)在單站雷達(dá)的位置，計(jì)算機(jī)屏幕上顯示的目標(biāo)圖象是處于照明區(qū)的目標(biāo)表面和棱邊，而在觀察點(diǎn)不可見的陰影部分面元和棱邊則由三維圖形硬件消隱掉.從圖形加速卡的輸出中可以得到像素的位置信息(x，y，z)和顏色(R，G，B，A).屏幕上的一個(gè)像素可對應(yīng)目標(biāo)表面的一個(gè)面元或棱邊元，從像素的屏幕坐標(biāo)(x，y)和z-buffer的z值可還原得到目標(biāo)面元或棱邊元的實(shí)際坐標(biāo)值.從像素的顏色可以還原得到目標(biāo)的表面法矢，采用Phong光照模型可達(dá)到此目的.當(dāng)?shù)玫矫總€(gè)像素的法矢，就可以用物理光學(xué)、物理繞射理論進(jìn)行散射特性的計(jì)算.

1.2 射線追蹤技術(shù)

對于高頻場，波的傳播和散射具有“局部”特性，即在一個(gè)給定觀察點(diǎn)鄰域內(nèi)的場不是決定于整個(gè)初始表面上的場分布，而只取決于該表面的某一有限部分.由于高頻場具有局部平面波屬性，射線理論充分利用這個(gè)特性對介質(zhì)目標(biāo)進(jìn)行散射特性計(jì)算.計(jì)算過程中需要考慮射線軌跡、相位、幅度和極化4個(gè)方面:

1)確定射線軌跡，即確定與局部能量流密度矢量相切的曲線:

式中，n為介質(zhì)的折射率;s為傳播距離;r為射線軌跡上某點(diǎn)的位置矢量.

2)沿某一曲線S(從P1到P2)積分，從而求得相位函數(shù)或光程函數(shù):

3)根據(jù)射線管能量守恒的幾何光學(xué)強(qiáng)度定律，計(jì)算最低階振幅系數(shù):

其中，A為擴(kuò)散因子，并有

ρ1，ρ2為波前兩個(gè)主曲率半徑;n1，n2為 P1，P2處的折射率，當(dāng)經(jīng)過焦散點(diǎn)時(shí)，即ρ1，ρ2變?yōu)?時(shí)，需考慮額外的90°相位差;e^2為電場的極化方向，根據(jù)軌跡和局部平面波的性質(zhì)確定.

4)當(dāng)射線與等效面相交時(shí)，根據(jù)邊界條件計(jì)算輻射積分:

2 混合方法

經(jīng)典的GRECO方法主要針對金屬或涂覆目標(biāo)的雷達(dá)散射截面計(jì)算設(shè)計(jì)，當(dāng)計(jì)算介質(zhì)目標(biāo)的RCS(Radar Cross Section)時(shí)，若目標(biāo)的一次散射分量占主要貢獻(xiàn)，利用GRECO可以很快給出估計(jì)值，但當(dāng)需要考慮目標(biāo)的多次散射分量時(shí)，可結(jié)合射線追蹤方法給出合理的計(jì)算結(jié)果.為了擴(kuò)充GRECO在計(jì)算介質(zhì)目標(biāo)上的功能，本文提出將射線追蹤與GRECO方法相融合，實(shí)現(xiàn)GRECO平臺(tái)上計(jì)算介質(zhì)目標(biāo)雷達(dá)散射截面的方法，設(shè)計(jì)框圖如圖1所示.

圖1 GRECO中射線追蹤過程示意圖

首先，建立等離子體云團(tuán)的幾何模型.等離子體云團(tuán)的幾何模型具有兩個(gè)特色:外形為光滑曲面，不存在諸如棱邊、拐點(diǎn)等散射效應(yīng);等離子體云團(tuán)是漸變介質(zhì)，可根據(jù)相對介電常數(shù)的分布建立多層閉合曲面來模擬等離子體云團(tuán)，并假設(shè)每層中的介質(zhì)為均勻的.因而，在GRECO中，將每層邊界面用三角面元表示，并將最外層邊界作為整個(gè)等離子體云團(tuán)的外形顯示在屏幕上.層與層之間利用三角面元建立一一對應(yīng)關(guān)系，為射線追蹤的順利進(jìn)行提供便利.

然后，利用GRECO方法計(jì)算等效介質(zhì)的一次散射效應(yīng).以物理光學(xué)和阻抗邊界條件為理論基礎(chǔ)，利用OpenGL的光照系統(tǒng)在屏幕上獲得最外層邊界有效像素，以像素為基本單元獲得相應(yīng)的像素法矢及位置，進(jìn)而快速地計(jì)算出目標(biāo)一次散射效應(yīng).另外，根據(jù)高頻散射理論，在某一波長下，一次散射效應(yīng)在總散射效應(yīng)中所占比例將隨著等離子體云團(tuán)尺寸的增加而增加，當(dāng)多次散射效應(yīng)可忽略時(shí)，可由一次散射效應(yīng)作為總散射效應(yīng)的近似.因此，等效介質(zhì)的一次散射效應(yīng)可用GRECO方法進(jìn)行快速有效的計(jì)算以節(jié)省傳統(tǒng)射線追蹤方法中相應(yīng)部分的計(jì)算時(shí)間.接著，將每個(gè)有效像素作為一個(gè)追蹤射線，利用射線追蹤方法對每個(gè)像素代表的射線進(jìn)行追蹤.

最后，利用射線管積分計(jì)算介質(zhì)目標(biāo)的多次散射效應(yīng).追蹤過程中，只要每根射線與惠更斯面相交，就利用射線管積分公式(式(4))計(jì)算相應(yīng)的散射貢獻(xiàn)量.當(dāng)介質(zhì)內(nèi)傳播的每根射線的能量足夠小時(shí)，則停止該根射線的追蹤.當(dāng)所有有效的起始像素都進(jìn)行了追蹤后，總散射能量即可由一次散射效應(yīng)加上多次散射效應(yīng)而獲得.

3 仿真實(shí)例

為了驗(yàn)證混合計(jì)算方法的有效性，以無限長圓柱和球兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)體作為仿真實(shí)例.

3.1 介質(zhì)圓柱

首先以無限長均勻圓柱為例，設(shè)該無限長圓柱的相對介電常數(shù)為εr=2.56，平行極化的電磁波垂直入射，后向雷達(dá)散射寬度與k0a的關(guān)系如圖2和圖3所示，a為圓柱的半徑.圖2為文獻(xiàn)［6］給出的解析解結(jié)果，其結(jié)果用πa進(jìn)行了歸一化，圖3為利用混合方法獲得的結(jié)果.從二者的對比來看，在高頻區(qū)域結(jié)果吻合良好，說明混合方法可以對高頻區(qū)二維介質(zhì)目標(biāo)進(jìn)行有效的雷達(dá)散射寬度預(yù)估.

圖4和圖5給出相對介電常數(shù)帶有虛部即有耗介質(zhì)的均勻圓柱的歸一化后向散射寬度與k0a的關(guān)系圖，用πa對結(jié)果進(jìn)行了歸一化.相對介電常數(shù)為εr=2.56+i0.1024，計(jì)算了平行極化波的回波.圖4為文獻(xiàn)［6］給出的精確解，而圖5為混合法計(jì)算的結(jié)果.從結(jié)果可以看出，帶有虛部的相對介電常數(shù)使得后向散射寬度明顯降低.

圖2 無限長均勻圓柱歸一化后向雷達(dá)散射寬度——文獻(xiàn)［6］結(jié)果

圖3 無限長均勻圓柱歸一化后向雷達(dá)散射寬度——混合法

圖4 均勻介質(zhì)圓柱的歸一化后向散射寬度——文獻(xiàn)［6］結(jié)果

圖5 均勻介質(zhì)圓柱的歸一化后向散射寬度——混合法

3.2 介 質(zhì) 球

為了驗(yàn)證三維情況下，混合方法的有效性，以介質(zhì)球?yàn)槔鄬殡姵?shù)與半徑之間的關(guān)系為

其中，r為徑向距離;εr為相對介電常數(shù).

在介質(zhì)球球心處相對介電常數(shù)為εr(0)，在介質(zhì)球邊界處相對介電常數(shù)為εr(a)，a為介質(zhì)球的半徑.令 εr(0)=1.5，εr(a)=1.25，文獻(xiàn)［6］也給出了該模型后向雷達(dá)散射截面與k0a的關(guān)系如圖6所示，同樣的，利用混合法計(jì)算該模型所得結(jié)果如圖7所示.計(jì)算結(jié)果說明混合在計(jì)算三維非均勻介質(zhì)目標(biāo)的散射特性上也是有效的.

圖6 非均勻介質(zhì)球的歸一化后向散射截面——文獻(xiàn)［6］結(jié)果

圖7 非均勻介質(zhì)球的歸一化后向散射截面——混合法

4 結(jié)束語

本文介紹了以圖形電磁學(xué)和射線追蹤為基礎(chǔ)的混合計(jì)算方法，將目標(biāo)的一次散射效應(yīng)以圖形電磁學(xué)的方法計(jì)算得到，而目標(biāo)的多次散射效應(yīng)以像素為起始點(diǎn)應(yīng)用射線追蹤方法計(jì)算得到.仿真實(shí)例表明該方法的有效性和可行性.

References)

［1］ Ling H，Chou R C，Lee SW.Shooting and bouncing rays:calculating the RCS of an arbitrarily shaped cavity［J］.Antennas and Propagation，IEEE Transactions on，1989，37(2):194 －205

［2］ Weinmann F.Ray tracing with PO/PTD for RCS modeling of large complex objects［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2006，54(6):1797 －1806

［3］ Catedra M F，Delgado C，Diego I G.New physical optics approach for an efficient treatment of multiple bounces in curved bodies defined by an impedance boundary condition［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2008，56(3):728－736

［4］ Huang Xiaoyang，Chen Bingquan，Cui HongLiang，et al.Radiopropagation model based on the combined method of ray tracing and diffraction［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2006，54(4):1284 －1291

［5］ Rius JM，F(xiàn)errando M，Jofre L.GRECO:graphical electromagnetic computing for RCS prediction in real time［J］.IEEE Antennas and Propagation Magazine，1993，35(2):7 －17

［6］ George TRuck，Donald E Barrick，Stuart William D，et al.Radar cross section handbook［M］.USA:Plenum Press，1970

(編 輯:婁 嘉)

Computation of scatter characters of media target based on GRECO

Fang Ning Wang Shuailei Wang Gu

(School of Electronics and Information Engineering，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191，China)

Wang Taosheng

(The Communication Navigation and Command Automation Institute，The Air Force Equipment Academy of PLA，Beijing 100083，China)

Among all the methods of computing the scatter characters of radar targets，graphic electromagnetic method and ray tracing technique are two valid ways in high frequency.A valid method was presented to combine these two ways.First，with the help of illumination model and automatic hiding in OpenGL，the shape ofmedia target was shown on screen.The color and position information of each pixel could be obtained from the buffers to compute the first scatter effect and then the position and normal vector information was taken as the start point to calculate the multi scatter effect by the ray tracing technique.At last，adding the two components leads to the total radar cross scatter.The simulation of cylinder and sphere proves the validity and effectiveness of this method.

radar cross scatter;media;graphic electromagnetic computation

TN 98

A

1001-5965(2011)06-0669-04

2010-03-22

“唯實(shí)”人才培育基金資助項(xiàng)目(YWF-11-03-Q-10)

方 寧(1979－)，女，遼寧鞍山人，講師，fangn31@163.com.