面向毫米波雷达人体数字孪生的动态可见散射面确定方法及系统

本发明涉及数字人体建模、毫米波电磁散射计算、雷达回波仿真和数字孪生，特别是一种面向毫米波雷达人体数字孪生的动态可见散射面确定方法及系统。

背景技术：

1、人体数字孪生在毫米波雷达生命体征建模、呼吸和心搏微动仿真、算法回归测试以及多模态传感器联合设计中具有重要作用。对于毫米波雷达而言，人体表面的雷达回波并非简单由全部体表面均匀产生，而是由满足照射条件、无遮挡条件和几何朝向条件的表面区域共同形成。因此，在动态人体网格上准确确定各时刻的可见散射面，是建立可信数字孪生雷达回波链的前提。

2、现有技术中，一类方法将人体离散为点散射源或者将整个体表作为等效散射面，未显式处理面元之间的自遮挡关系。该类方法能够快速得到运动趋势，但难以区分哪些表面区域在给定雷达视角下实际可见，容易在躯干侧面、腋下、乳突边缘和锁骨下缘等遮挡敏感位置引入非物理散射贡献。

3、另一类方法以三角面中心、三角面重心或少量采样点作为代表，对每个面执行一次或少量射线首交判断，并据此把整个面元直接归类为可见或不可见。该方法虽然能够反映粗粒度的可见性，但当遮挡边界切过面元内部时，一个极小的边界移动就会使整个面元的状态突变，进而在动态序列中产生可见性闪烁，使相干幅度、距离像和频谱出现非物理跳变。

4、还有一类方法先估计面元的可见面积比例，再将该比例乘以经验反射系数或者雷达散射截面近似值，用于修正面元贡献。该类方法虽然优于纯二值判定，但往往只输出单一面积比例，而不保留面元内部具体哪一块区域可见，因而无法稳定接入需要保留空间相位信息的毫米波相干积分链。

5、此外，若遮挡面集合通过有限射线探针或有限求积点发现，则探针密度变化可能改变被发现的遮挡面集合；若对裁剪后的可见多边形不保持原始面元绕序，则会在后续法向、入射角或极化计算中引入静默翻转；若对极薄可见条带直接按固定面积阈值删除，则可能掩盖微小但并非可忽略的复散射贡献。现有技术缺乏一套能够同时满足连续可见域确定、可复现遮挡枚举、相干积分兼容以及动态稳定性门控的统一方法。

6、因此，需要一种面向毫米波雷达人体数字孪生的动态可见散射面确定方法：其不仅能够给出每个父三角面在各时刻是否可见，还能够确定父三角面内部连续可见子区域；不仅能够稳定处理自遮挡、边界条带和表示拓扑事件，还能够将结果无缝接入相干毫米波回波积分，并以显式的质量指标和门限完成发布判定。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种面向毫米波雷达人体数字孪生的动态可见散射面确定方法及系统，该方法针对现有方法面元级二值判定导致可见性闪烁、有限探针致结果不可复现、裁剪后法向丢失引入物理错误、极薄条带缺误差边界及可见性结果无法直接服务于相干回波积分的问题，提出一种面向毫米波雷达人体数字孪生的动态可见散射面确定方法。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、本发明提供的面向毫米波雷达人体数字孪生的动态可见散射面确定方法，包括以下步骤：

4、获取人体数字孪生的动态外表面网格序列及雷达空间几何参数；

5、根据预设规则构建候选散射面集合；

6、通过确定性几何计算，枚举所有与目标表面片存在投影重叠的潜在遮挡面；

7、通过对一个或多个真实遮挡面在目标表面上的阴影区域执行几何并集运算，并在目标表面片上减去所述阴影并集，获得目标表面片上的连续可见子区域；

8、对所述连续可见子区域执行保持其来源父表面片的原始空间朝向属性一致的网格化重构处理；

9、对相邻时刻的可见散射面变化执行基于物理加权量的动态稳定性门控；

10、发布包含所述连续可见子区域的几何信息及所述动态稳定性门控的质量判定指标的动态可见散射面资产。

11、进一步，所述基于物理加权量的动态稳定性门控具体包括：基于阴影面积加权的遮挡关系变动量门控、基于复散射贡献加权的遮挡关系变动量门控、或基于目标总散射能量的遮挡关系变动量门控中的至少一项。

12、进一步，所述网格化重构处理为三角化处理，所述原始空间朝向属性包括顶点绕序和面法向，所述子区域的顶点绕序和面法向与其来源父表面片的顶点绕序和面法向相同。

13、进一步，所述确定性几何计算包括：以雷达位置为观察中心建立局部投影坐标系，将目标表面片及候选散射面投影至同一投影平面，基于投影重叠关系枚举所有潜在遮挡面。

14、进一步，所述动态可见散射面资产还包括：子表面片的面积信息、传播距离信息、相位参考信息、入射角信息、距离梯度信息，以及所述可见子区域所来源的父表面片编号和所述可见子区域对应的真实遮挡面索引。

15、进一步，对所述连续可见子区域执行保持其来源父表面片的原始空间朝向属性一致的网格化重构处理之前，还包括：对面积小于预设阈值的极薄可见子区域进行分级处理，将满足预设精度门限的极薄可见子区域归类为可解析细条区域并进入网格化重构处理流程，将不满足预设精度门限的极薄可见子区域归类为亚分辨率细条区域并记录其面积上界和复贡献上界但不执行强制网格化重构。

16、进一步，所述动态稳定性门控还用于：当所述质量判定指标不满足预设门限时，输出失败记录，不发布所述动态可见散射面资产。

17、进一步，所述雷达空间几何参数包括雷达发射接收空间位置、雷达工作波长或频率、候选体表组件标识以及用于身份追踪的父表面片编号。

18、本发明提供的面向毫米波雷达人体数字孪生的动态可见散射面确定系统，用于执行上述方法，包括：

19、数据获取模块，被配置为获取人体数字孪生的动态外表面网格序列及雷达空间几何参数；

20、候选面构建模块，被配置为根据预设规则构建候选散射面集合；

21、遮挡枚举模块，被配置为通过确定性几何计算，枚举所有与目标表面片存在投影重叠的潜在遮挡面；

22、可见域生成模块，被配置为通过对一个或多个真实遮挡面在目标表面上的阴影区域执行几何并集运算，并在目标表面片上减去所述阴影并集，以获得目标表面片上的连续可见子区域；

23、属性保持重构模块，被配置为对所述连续可见子区域执行保持其来源父表面片的原始空间朝向属性一致的网格化重构处理；

24、稳定性门控模块，被配置为对相邻时刻的可见散射面变化执行基于物理加权量的动态稳定性门控；

25、资产发布模块，被配置为发布包含所述连续可见子区域的几何信息及所述动态稳定性门控的质量判定指标的动态可见散射面资产。

26、进一步，所述动态可见散射面资产为结构化数据体，至少包含：父表面片标识信息、可见子区域的几何描述信息、以及所述动态稳定性门控的质量判定指标字段，所述三个字段缺一不可地共同构成所述资产。

27、本发明的有益效果在于：

28、本发明提供的面向毫米波雷达人体数字孪生的动态可见散射面确定方法及系统，该方法针对现有方法中面元级二值判定导致可见性闪烁、有限探针导致结果不可复现、裁剪后法向绕序丢失引入非物理错误、极薄条带缺乏误差边界、以及可见性结果无法直接服务于相干回波积分的问题，提出一种面向毫米波雷达人体数字孪生的动态可见散射面确定方法。

29、本发明原理在于：以动态人体外表面三角网格和雷达空间几何为输入，首先通过候选散射面构建和朝向预筛缩减计算范围；继而采用确定性投影重叠枚举，将三维空间遮挡关系转化为二维投影平面上的几何重叠判定，消除有限采样带来的不确定性；再通过深度顺序判定识别真实遮挡面，对各真实遮挡阴影执行几何并集运算，并从目标面中减去该并集，获得连续可见子区域，将可见性描述从面元级推进至面元内部连续域；对连续可见子区域执行保向三角化，使子三角面的顶点绕序和法向与父面保持一致，维护后续电磁计算的物理一致性；对极薄可见区域进行可解析细条与亚分辨率细条的分级处理并记录误差预算，使计算精度可控；最后对相邻帧执行基于面积和复贡献加权的动态连续性门控，区分表示事件与真实物理跃迁，并在门控通过后发布包含几何、属性和误差信息的结构化可见散射面资产，直接支撑毫米波相干回波积分与后续散射幅度、相位和距离像计算。明与现有技术相比，具有以下有益效果：

30、（1）本发明不再将整个父三角面简单归类为可见或不可见，而是通过几何并集与差集运算，输出父三角面内部的连续可见子区域。该连续子区域保留了完整的边界顶点次序和父面局部坐标连续性，能够直接作为相干毫米波回波积分的几何域，解决了现有可见性结果无法服务于相干积分的问题。

31、（2）本发明通过雷达中心投影重叠的确定性枚举构造潜在遮挡面集合，不依赖有限射线探针或随机采样点发现遮挡面。在相同输入、相同雷达姿态和相同几何精度条件下，潜在遮挡面集合唯一确定，保证了遮挡关系的可复现性，克服了有限探针法结果对采样密度敏感的根本缺陷。

32、（3）本发明将真实遮挡面形成的阴影在目标父三角面上执行连续几何裁剪，遮挡边界在面元内部连续变化，显著减小了遮挡边界穿越面元时产生的可见性闪烁，降低了动态回波中的非物理高频分量，提升了动态序列中可见域描述的稳定性。

33、（4）本发明对自遮挡判定采用仅作用于目标面自身终点的规范容差，而不放宽一般目标邻域容差，既消除了目标面自遮挡的伪判定，又防止了真实遮挡关系因全局容差放宽而被掩盖，兼顾了数值计算的鲁棒性与物理真实性。

34、（5）本发明在可见子区域三角化时采用保向三角化，使所有子三角面的顶点绕序和面法向朝向与其来源父面保持一致，避免了后续入射角、极化或散射计算中因面法向翻转引起的静默错误，保证了电磁量计算的物理一致性。

35、（6）本发明对极薄可见区域建立可解析细条与亚分辨率细条的分级处理机制，对亚分辨率细条不强制执行不稳定的数值积分，但记录其面积上界和复贡献上界。由此避免简单按固定面积阈值删除面片所带来的不可控误差，使计算精度可量化、可审计。

36、（7）本发明以阴影面积加权变动量、复散射贡献加权变动量和可见域对称差比例等物理量执行动态时序门控，能够有效区分表示拓扑事件与真实可见域跃迁，避免将网格表示变化误判为物理变化，提高了动态可见散射面资产发布的工程可靠性。

37、（8）本发明发布的结果不仅包含可见子面和子三角面几何，还包含父面标识、真实遮挡面索引、极薄区域分类、误差预算和动态连续性门控指标，便于结果追溯、回归测试和与后续毫米波回波仿真模块的工程对接，可直接支撑散射幅度、相位和距离像计算。

38、本发明的上述和其他目的、优点及特征，将通过下文结合附图的具体实施方式的详细描述而得到更充分的阐述和证明。本领域技术人员在参阅了下文的详细描述和附图后，将能够更好地理解并实现本发明的上述优点。本发明的其他目标、特征和优点，在具体实施方式部分并结合附图进行详细描述后，将变得更加清楚。