模型解析与物理光学积分的激光散射全空间计算方法

本申请涉及激光散射特性计算领域，特别是涉及一种模型解析与物理光学积分的激光散射全空间计算方法。

背景技术：

1、激光散射特性计算是激光雷达系统设计、目标探测与识别、隐身性能评估等领域的核心技术手段。现有技术中，通常基于几何光学或物理光学近似方法，如投影面积法、基尔霍夫近似法，通过分析目标表面对入射激光的散射贡献，计算目标的激光雷达截面，以此评估目标的散射特性。

2、然而，现有方法普遍存在明显不足；在面元处理方面，现有方法通常隐含“所有面元对入射激光均可见”的假设，导致具有复杂表面朝向的目标的计算结果系统性偏大，与实测数据存在显著偏差。在材质处理方面，现有方法往往将目标表面统一视为理想朗伯体或理想导体，采用恒定反射率，忽略了真实材料中漫反射、镜面反射等光学属性的差异，无法区分金属、涂层、复合材料等不同表面对激光散射能力的贡献。在几何建模方面，现有方法主要适用于球体、圆柱、平板等简单解析几何体，缺乏对obj、stl等通用三维网格文件格式的直接解析能力，难以处理工程中广泛使用的非规则三维网格模型。在扫描范围方面，现有方法多数仅关注单一平面内的散射角分布，难以生成完整的目标空间散射特性图谱。

3、现有技术缺乏一种在兼顾计算精度的同时，适用于任意复杂几何模型的高效全空间激光散射特性计算方法。

技术实现思路

1、本申请的目的是提供一种模型解析与物理光学积分的激光散射全空间计算方法，通过背面剔除与材质反射率相结合的物理光学积分，解决了现有技术中计算精度差、忽略材质差异的问题，实现了高精度、全空间的激光散射特性计算。

2、为实现上述目的，本申请提供了如下方案：

3、第一方面，本申请提供了一种模型解析与物理光学积分的激光散射全空间计算方法，包括：设定覆盖目标全空间的多个入射方向，并对每一入射方向执行：剔除目标模型中背向光源的三角面元，获得有效面元集合；利用所述目标模型的材质参数确定各有效面元的反射率；根据入射激光束的激光功率、有效面元的面元面积、入射方向向量与有效面元法线之间的对应关系、以及光源至有效面元的距离，计算有效面元的接收功率；利用所述有效面元的接收功率与反射率计算得到散射能量；累加各有效面元的散射能量后，计算得到当前入射方向下的激光散射截面；遍历所有入射方向，得到全空间激光散射截面分布。

4、在一实施方式中，在所述设定覆盖目标全空间的多个入射方向之前，还包括：基于所述目标模型的顶点坐标对各三角面元的法线方向进行一致性校正，使各法线均指向所述目标模型外部。

5、在一实施方式中，在所述剔除目标模型中背向光源的三角面元之后，还包括：根据预设的光锥半角，将面元中心指向光源的方向与入射方向向量之夹角大于所述光锥半角的三角面元剔除，得到所述有效面元集合。

6、在一实施方式中，所述入射方向向量与有效面元的法线之间的对应关系为：所述入射方向向量与所述有效面元法线之间的夹角余弦。

7、在一实施方式中，所述有效面元的接收功率的计算公式为：；其中，为所述有效面元的接收功率，为所述入射激光束的功率，表示所述入射方向向量与所述有效面元法线之间的夹角余弦，为所述有效面元的面元面积，为所述光源至有效面元的距离。

8、在一实施方式中，所述利用所述目标模型的材质参数确定各有效面元的反射率，包括：从所述材质参数中获取高光反射系数，取所述高光反射系数的各颜色通道的平均值作为所述反射率；当所述反射率低于预设阈值时，将所述反射率设为预设默认值。

9、在一实施方式中，对每一入射方向下，所述剔除目标模型中背向光源的三角面元，以及所述计算有效面元的接收功率，采用向量化并行方式批量执行，包括：基于所有三角面元的几何中心与光源位置，批量计算各三角面元指向光源的方向向量；采用爱因斯坦求和约定，并行计算各三角面元的法线与入射方向向量的第一点积，以及各三角面元指向光源的方向向量与入射方向向量的第二点积；根据所述第一点积的结果生成背面剔除掩码，根据所述第二点积的结果生成光锥筛选掩码，并通过所述掩码对全部三角面元进行批量筛选。

10、第二方面，本申请提供了一种模型解析与物理光学积分的激光散射全空间计算装置，包括：入射方向设定模块，用于设定覆盖目标全空间的多个入射方向；所述入射方向设定模块包括：面元筛选子模块，用于剔除目标模型中背向光源的三角面元，获得有效面元集合；反射率确定子模块，用于利用所述目标模型的材质参数确定各有效面元的反射率；接收功率计算子模块，用于根据入射激光束的激光功率、有效面元的面元面积、入射方向向量与有效面元法线之间的对应关系、以及光源至有效面元的距离，计算有效面元的接收功率；散射能量计算子模块，用于利用所述有效面元的接收功率与反射率计算得到散射能量；散射截面计算子模块，用于累加各有效面元的散射能量后，计算得到当前入射方向下的激光散射截面；遍历输出模块，用于遍历所有入射方向，得到全空间激光散射截面分布。

11、在一实施方式中，装置还包括：法线校正模块，用于基于所述目标模型的顶点坐标对各三角面元的法线方向进行一致性校正，使各法线均指向所述目标模型外部。

12、第三方面，本申请提供了一种计算机设备，包括：存储器、处理器以存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序以实现上述中任一项所述的模型解析与物理光学积分的激光散射全空间计算方法的步骤。

13、根据本申请提供的具体实施例，本申请公开了以下技术效果：

14、本申请提供了一种模型解析与物理光学积分的激光散射全空间计算方法，通过剔除目标模型中背向光源的三角面元，获得有效面元集合，解决了现有技术中背光面元被错误计入散射能量所导致的计算结果系统性偏大的问题，实现了对目标表面有效散射区域的精确筛选，提高了激光散射截面的计算精度。通过利用目标模型的材质参数确定各有效面元的反射率，解决了现有技术将目标表面统一视为理想反射体、无法区分不同材质散射能力差异的问题，实现了材质光学属性与散射计算的有效结合，使计算结果更贴近真实物理过程。通过根据入射激光束的激光功率、有效面元的面元面积、入射方向向量与有效面元法线之间的对应关系、以及光源至有效面元的距离，计算有效面元的接收功率，并利用接收功率与反射率计算得到散射能量，解决了现有技术忽略激光能量随距离衰减及入射角影响的问题，实现了基于物理光学积分的面元级散射能量精确计算。通过累加各有效面元的散射能量后计算得到当前入射方向下的激光散射截面，并遍历所有入射方向得到全空间激光散射截面分布，解决了现有技术仅关注单一平面内散射角分布、缺乏全空间系统性分析的问题，实现了对目标在方位角与高度角联合扫描下的全空间散射特性完整描述。

1.一种模型解析与物理光学积分的激光散射全空间计算方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的模型解析与物理光学积分的激光散射全空间计算方法，其特征在于，在所述设定覆盖目标全空间的多个入射方向之前，还包括：

3.根据权利要求1所述的模型解析与物理光学积分的激光散射全空间计算方法，其特征在于，在所述剔除目标模型中背向光源的三角面元之后，还包括：

4.根据权利要求1所述的模型解析与物理光学积分的激光散射全空间计算方法，其特征在于，所述入射方向向量与有效面元的法线之间的对应关系为：所述入射方向向量与所述有效面元法线之间的夹角余弦。

5.根据权利要求4所述的模型解析与物理光学积分的激光散射全空间计算方法，其特征在于，所述有效面元的接收功率的计算公式为：

6.根据权利要求1所述的模型解析与物理光学积分的激光散射全空间计算方法，其特征在于，所述利用所述目标模型的材质参数确定各有效面元的反射率，包括：

7.根据权利要求1所述的模型解析与物理光学积分的激光散射全空间计算方法，其特征在于，对每一入射方向下，所述剔除目标模型中背向光源的三角面元，以及所述计算有效面元的接收功率，采用向量化并行方式批量执行，包括：

8.一种模型解析与物理光学积分的激光散射全空间计算装置，其特征在于，包括：

9.根据权利要求8所述的模型解析与物理光学积分的激光散射全空间计算装置，其特征在于，还包括：

10.一种计算机设备，包括：存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序以实现权利要求1-7中任一项所述的模型解析与物理光学积分的激光散射全空间计算方法。