一种基于太赫兹频段的近场雷达散射截面仿真计算的建模方法、系统、设备及介质

本发明涉及近场探测，特别涉及一种基于太赫兹频段的近场雷达散射截面仿真计算的建模方法、系统、设备及介质。

背景技术：

1、广义雷达散射截面的计算需要目标与探测雷达的距离r趋于无穷远，照射到目标处的入射波为均匀平面波，即需满足r≥2d2/λ才能得到目标的雷达散射截面rcs，其中d为目标最大尺寸。而太赫兹频段的波长极短，传统远场测量需数十米甚至更远的距离，难以在实验室实现。因此，近场测量在对快速测量出电大尺寸目标的雷达散射截面rcs值尤为重要。

2、太赫兹频段相比于微波波段，其波长更短，目标在该波段的电尺寸与微波波段不同，导致其电磁散射特性也不同，能提供与微波不同的目标散射特性信息。在太赫兹频段，对于目标表面细微结构的敏感性增强，例如，在微波中被视为光滑的目标在太赫兹频段中会被视作粗糙，就是由于太赫兹频段的波长尺度在相同目标下变得更小。在对全尺寸目标测量时，太赫兹频段相比于微波波段，能够有着更高的分辨率，可以更精细地分辨目标的形状、尺寸和结构等细节信息，从而更准确地识别不同类型的目标。

3、对于电大尺寸目标的测量计算，使用传统的远场条件很难满足，需要在近场测量数据变换到远场数据。同时更高精度的分辨率需要的计算量也大大增加，因此，近场测量测量的单站雷达散射仿真计算的建模具有很重要的意义。

4、李博等人在专利公开号cn219143081u的专利申请《基于mimo的近场rcs测量装置》中，采用mimo雷达在近场条件下对被测目标旋转扫描得到近场rcs，但是该方法只考虑了在微波波长下的近场雷达散射截面rcs计算，未考虑电大尺寸目标在太赫兹频段因波长短导致的面元数量激增、计算困难等问题。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提出一种基于太赫兹频段的近场雷达散射截面仿真计算的建模方法、系统、设备及介质，将近场单个小面元的相位信息以及雷达在传播过程中的衰减相结合，得到太赫兹频段对电大尺寸目标的近场rcs计算模型，从而在近场通过测量散射等方法快速计算出电大尺寸目标rcs信息；本发明解决了电大尺寸目标在近场测量时，太赫兹频段计算数据大计算困难的难题，提高了模型的适用性。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种基于太赫兹频段的近场雷达散射截面仿真计算的建模方法，所述方法包括：

4、步骤1，面元划分与单位法向量计算：根据近场对三维目标的影响，进行面元划分得到多个剖分尺度为λ/3的小面元，同时计算单个小面元δs与小面元单位法向量

5、步骤2，通过kirchhoff近似理论，求解单个小面元在不同入射光场与面元单位法向量之间的夹角，即不同入射角度下的散射光场并存储入射角θ与散射光场数据；

6、步骤3，在不同入射情况下对离散的三维目标面元进行入射遮挡判断，得到有效散射小面元，并通过入射光场与面元单位法向的夹角从已存储数据中获取对应角度的散射光场

7、步骤4，基于雷达散射截面rcs远场散射计算公式，求解单个小面元下的散射截面δσ；

8、步骤5，将小面元雷达散射截面rcs叠加，得到总的散射截面σsum；

9、步骤6，引入雷达衰减得到整个近场雷达散射截面rcs计算模型σg。

10、所述步骤1具体方法为：

11、当三维目标在测量雷达的近场区域内时，将目标进行三角面元剖分，以三角面元边长作为剖分尺度，对目标边长进行均匀划分构建若干个三角面元即得到小面元，用于表示目标表面；

12、根据划分得到的小面元三个顶点v1,v2,v3有：

13、

14、

15、其中，是顶点v1指向顶点v2的向量，是顶点v1指向顶点v3的向量，是小面元单位法向量。

16、所述步骤2具体方法为：

17、入射光场为：

18、

19、其中，e0为振幅，k＝2π/λ为波数，为雷达到小面元的距离，j表示虚数单位；

20、基于kirchhoff近似理论，计算每个小面元δs的散射光场

21、

22、其中，a0为散射系数，k为比例常数，表达式为r为目标中心到接收点之间的距离，表示相位变化，为入射波单位波矢方向的矢量；

23、自定义设置入射角度范围、步长，计算不同入射角度下的散射电场，并记录入射角度与散射电场。

24、所述步骤3的具体方法为：

25、使用算法对小面元首先与射线进行相交判断，小面元上任一点p可以表示为：

26、

27、其中，p为p点的坐标，p′为小面元中除p点的任意一点坐标，为小面元单位法向量。

28、用射线1表示光从雷达位置o处沿着单位波矢量出发，射线方程可表示为：

29、

30、其中，t为变量，若射线1与小面元相交于p点，可求解出t，即：

31、

32、此时，可得t的范围为0≤t≤+∞。

33、通过相交判断后，射线1与其他小面元相交且距离小于射线1到p点所在小面元的距离时，p点所在小面元被判定为被遮挡，即p点所在小面元不能有效反射；反之，射线1与其他小面元相交且距离大于p点所在小面元距离时，p点所在小面元被判定为未被遮挡，即p点所在小面元可以有效反射；

34、经过相交与遮挡判断的小面元，通过入射光与面元单位法向之间的夹角从已存储数据中读取对应角度下的散射光场，获得

35、所述步骤4的具体方法为：

36、根据雷达散射截面rcs远场散射计算公式：

37、

38、得单个小面元的雷达散射截面rcs公式为：

39、

40、其中，δσn为第n个小面元的雷达散射截面rcs，rn为第n个小面元与雷达的距离。

41、所述步骤5的具体方法为：

42、将各小面元的相位信息引入单个小面元的雷达散射截面(rcs)公式，并将小面元雷达散射截面rcs叠加得到总的散射截面σsum：

43、

44、其中，n为小面元的总个数。

45、所述步骤6的具体方法为：

46、根据实际雷达照射传播过程中，能量会有一定的衰减，引入雷达衰减为：

47、

48、其中，p0为雷达发射功率，α为衰减系数，rn为第n个小面元与雷达的距离，θ和分别为天顶角与方位角；

49、根据相位叠加与雷达传播衰减的目标近场雷达散射截面公式为：

50、

51、一种基于太赫兹频段的近场雷达散射截面仿真计算的建模方法，包括：

52、面元划分模块，用于步骤1，根据近场特性对目标模型表面进行三角面元划分，并根据划分后面元顶点计算面元单位法向量；

53、面元计算模块，用于步骤2，基于kirchhoff近似理论计算单个小面元不同入射角度下的散射光场并存储数据；

54、离散面元计算模块，用于步骤3，基于面元计算模块，针对划分的小面元与射线进行相交遮挡判断，并根据入射角度计算小面元的散射光场；

55、目标雷达散射截面计算模块，用于步骤4至步骤6中，将不同入射角度下的面元散射光场代入到雷达散射截面rcs远场散射计算公式，得到单个小面元的雷达散射截面rcs。考虑近场相位信息与雷达衰减，再使用雷达散射截面rcs各散射中心复数散射叠加公式得到总的散射截面σsum。

56、一种电子设备，包括：

57、至少一个处理器；

58、以及，与所述至少一个处理器通信连接的存储器；

59、其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行如步骤1至6中任一项所述的一种基于太赫兹频段的近场雷达散射截面仿真计算的建模方法。

60、一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现如步骤1至6中任一项所述的一种基于太赫兹频段的近场雷达散射截面仿真计算的建模方法。

61、相对于现有技术，本发明的有益效果在于：

62、1、解决太赫兹频段下电大尺寸目标近场计算难题，提升计算效率。针对现有技术中电大尺寸目标在太赫兹频段因波长短导致面元划分数量激增、计算量过大的问题，本发明通过以下技术手段优化计算流程：步骤1中根据近场特性预处理三维模型面元大小，将剖分尺度设为λ/3，确保每个小面元处于雷达远场区域，既满足计算精度又避免过度细分；步骤2中通过kirchhoff近似理论建立单个小面元散射光场数据库，在后续计算中直接调用对应角度的数据，避免重复求解，进一步提升效率；步骤3中利用算法进行面元遮挡判断，并基于各入射角度下计算任务的独立性，采用并行运算同时处理多个角度的散射光场计算，大幅减少计算时间。

63、2、提升模型精度与适用性，覆盖多场景计算需求。相比现有技术未考虑实际传播中的能量衰减及多种条件适应性的缺陷，本发明通过多维度优化提升模型性能：步骤5中通过复数散射场叠加得到的σsum，整合各面元相位信息，避免传统叠加忽略相位差导致的误差；步骤6中引入雷达衰减修正，基于公式模拟实际传播中能量随距离和角度的变化，使计算结果更贴近真实散射场景；支持通过改变波长、目标材质及入射角度，利用近场rcs计算模型快速获取不同场景下的结果，解决了现有模型适用性受限的问题，可广泛应用于太赫兹近场探测场景。

64、综上所述，本发明对于建立的基于太赫兹频段的近场雷达散射截面仿真计算的建模方法，考虑了近场相位信息与雷达衰减，使用了kirchhoff近似理论、算法，解决了电大尺寸目标在太赫兹频段下近场测量时，太赫兹频段无法进行快速计算的难题。