一种新型的针对指数型粗糙面的亮温成像方法与流程

1.本发明属于计算机辅助分析与设计以及软件设计技术领域，具体涉及一种新型的针对指数型型粗糙面的亮温成像方法。


背景技术：

2.被动毫米波成像模拟是被动毫米波成像领域里一项重要的环节，它可以帮助认识目标的辐射特性，解释辐射现象，寻找辐射规律以及判断实际测量结果的优劣。以上所述优点使得毫米波成像模拟近年来愈加受到重视。目前为止，对于粗糙面成像，大部分工作都集中于待测表面为高斯型粗糙面，而待测物体为指数型粗糙面的场景却鲜有提及。例如在实际生活中粗糙土壤、山峰等场景更接近于指数型粗糙面，但传统成像过程中均将以上场景视作高斯型粗糙面，这会导致模拟的亮温分布情况与实际的亮温分布情况相比有一定的误差。因此需要一种针对指数型型粗糙面的计算模型和方法来提高成像精度。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种新型的针对指数型粗糙面的亮温成像方法。
4.本发明的具体步骤如下：
5.步骤一、对被探测场景进行物理建模，得到被探测场景的三维虚拟模型。
6.步骤二、对步骤一得到的三维虚拟模型进行剖分。
7.步骤三、将三维虚拟模型中属于林地、山峰、沙地的被测表面视为指数型粗糙面，其余被测表面视为高斯型粗糙面，进行射线追踪。
8.步骤四、在射线追踪部分结束后，从每一根射线的终端将亮温反演至发射源点，获得被探测场景中不同位置的亮温，形成亮温图。
9.作为优选，利用gmsh软件在步骤一中进行物理建模，以及在步骤二中进行剖分。
10.作为优选，步骤二中，剖分的单元格为四面体。
11.作为优选，步骤三所述的射线追踪是从辐射计发射端向外发射射线；对于任意一根射线，对第一层射线沿反射方向追踪的同时，将射线与入射面的交点作为散射点向四周进行散射。
12.作为优选，在对于视为指数型粗糙面的被测表面的射线追踪中，以封闭面为边界的无源区内任意点的散射场的数学表达式如式(1
‑
1)所示。
[0013][0014]
式(1
‑
1)中，为任意点无源场的散射场；为代求场点位置；j为虚数单位；k
s
为电磁波在介质中传播的波数，其值用介质一中的波数k1替代；为散射方向的单位矢量；为边界面的法向量的单位矢量；η
s
为介质的阻抗，其值使用介质一的阻抗η1替代；r0为场点
和观测点之间的距离；为总的切向电磁场，其表达式如式(1
‑
2)和(1
‑
3)所示。
[0015][0016][0017]
式(1
‑
2)和(1
‑
3)中，为单位极化向量；为入射方向的单位矢量；r
⊥
是水平极化的菲涅尔反射系数；r
//
是垂直极化的菲涅尔反射系数；e0为入射电磁波的场强。
[0018]
将式(1
‑
1)、(1
‑
2)和(1
‑
3)联立，建立介质一中的散射场如式(1
‑
4)所示：
[0019][0020]
对式(1
‑
4)求近似解如式(2)所示：
[0021][0022]
式(2)中，q为相位因子，k1为介质一中的波数，为散射方向的单位矢量，为入射方向的单位矢量，为源点位置，q
x
、q
y
、q
z
分别是x、y、z轴方向上的相位分量。q
x
、q
y
、q
z
的表达式如式(3)所示。
[0023][0024]
式(3)中，θ
s
为散射方向的俯仰角，θ
i
为入射方向的俯仰角，为散射方向的方位角，为入射方向的方位角。分别为x轴，y轴，z轴的方向向量。
[0025]
将式(2)和式(3)代入式(1
‑
4)中，将散射电场表达式表示为：
[0026][0027]
式(4)中，为散射方向的单位矢量，为入射方向的单位矢量，为边界面的法向量的单位矢量，k
s
为电磁波在介质中传播的波数，r0为场点和观测点之间的距离，η1为介质的阻抗。
[0028]
建立垂直极化，平行极化以及交叉极化的散射场如式(5)所示。
[0029][0030]
式(5)中，q为相位因子，，为平行极化散射场，为垂直极化散射场，和为交叉极化散射场，r
⊥
是水平极化的菲涅尔反射系数，r
//
是垂直极化的菲涅尔反射系数，是散射水平波的单位极化分量，是散射垂直波的单位极化分量，是入射水平波的单位极化分量，是入射垂直波的单位极化分量，为散射方向的单位矢量，为入射方向的单位矢量。u
hh
、u
vh
、u
hv
、u
vv
的表达式如式(6)所示：
[0031][0032]
式(6)中，r
⊥
是水平极化的菲涅尔反射系数，r
//
是垂直极化的菲涅尔反射系数。
[0033]
介质一中的双基地散射系数表示为公式(7)：
[0034][0035]
式(7)中，u
pq
用于代入前述的u
hh
、u
vh
、u
hv
、u
vv
；k1为介质一中的波数，σ为粗糙面的均方根高度，q
x
、q
y
、q
z
的表达式如式(8)所示：
[0036][0037]
指数型粗糙面的高低起伏相关系数g(r)的表达式如式(9)所示；
[0038]
g(r)＝σ2exp(
‑
|r|/l)
ꢀꢀꢀ
式(9)
[0039]
式(9)中，r为指数型粗糙面两点之间的距离；l为粗糙面的相关长度；
[0040]
粗糙面高低起伏相关系数在0处的二阶微商ρ
″
(0)的表达式如式(10)所示；
[0041][0042]
建立的表达式如式(11)所示：
[0043][0044]
通过公式(6)、(7)、(8)、(10)、(11)求出视为指数型粗糙面的被测表面的双基地散射系数。
[0045]
本发明具有的有益效果是：
[0046]
1、本发明在被动毫米波成像中，将林地、山峰、沙地均视为指数型粗糙面，并提出了基于指数型粗糙面的散射系数计算方法，使得运算中的参数更加贴近于真实的环境情况，从而显著提高被动毫米波成像所得亮温图的准确性。
[0047]
2、本发明使得被动毫米波在模拟成像，在面对不同粗糙程度的指数型粗糙面场景时，能够探测出高粗糙度和低粗糙度之间的区别，从而大幅增加了被动毫米波成像的分辨能力。
[0048]
3、本发明在第一层射线继续沿反射方向追踪以外，将射线与面的交点作为散射点向四周进行散射。根据入射粗糙面的不同，射线的散射系数也不同。
附图说明
[0049]
图1为作为示例的被测场景的物理模型图；
[0050]
图2为被测场景剖分后的示意图；
[0051]
图3为本地坐标系示意图；
[0052]
图4为空对地场景新模型的单根射线追踪示意图；
[0053]
图5为空对地场景新模型的单根射线反演示意图；
[0054]
图6为高斯型粗糙面下不同粗糙程度的亮温分布图；
[0055]
图7为指数型粗糙面下不同粗糙程度的亮温分布图；
[0056]
图8为不同粗糙度下高斯型粗糙面与指数型粗糙面亮温对比图；
[0057]
图9(a)为高斯型粗糙面和指数型粗糙面的对比图；
[0058]
图9(b)、(c)分别为高斯型粗糙面和指数型粗糙面的模拟图；
[0059]
图10(a)为一维高斯型粗糙面和指数型粗糙面的方差对比图；
[0060]
图10(b)为二维高斯型粗糙面和指数型粗糙面的方差对比图；
[0061]
图11为不同均方根高度下高斯型粗糙面与指数型粗糙面亮温差对比图；
[0062]
图12为不同相关长度下高斯型粗糙面与指数型粗糙面亮温差对比图。
具体实施方式
[0063]
以下结合附图对本发明作进一步说明。
[0064]
一种新型的针对指数型粗糙面的亮温成像方法，具体步骤如下：
[0065]
步骤一、利用已有的剖分软件对被测场景进行剖分，剖分单元选择四面体。本实施例中，以三维虚拟建模场景作为被测场景；如图1所示，该三维虚拟建模场景中设置有并排设置的四条跑道，该四条跑道的编号分别为1、2、3、4；四条跑道的表面为四个相同介电常数，相同粗糙面类型，不同粗糙程度的被测表面。被测场景剖分后的模型图如图2所示。四条跑道的介质为林地、山峰或沙地，均接近于指数型粗糙面。
[0066]
步骤三、进行射线追踪部分，任取一条射线进行射线追踪，当射线遇到光滑面时射线向反射方向射去；当射线入射到粗糙面时该射线为第一层向反射方向发射，然后该射线与粗糙面的交点为第二层的发射点，向四周发射(散射)射线。在入射到不同粗糙面时射线的反射系数和散射系数也有所不同，计算时使用了基尔霍夫驻留相位近似法，而计算指数型粗糙面的散射系数同样需要使用驻留相位近似法。为方便计算，使用本地坐标系地标系示意图如图3所示，由格林矢量第二定律可以知道，以封闭面为边界的无源区内任意点的散射场的数学表达式为：
[0067][0068]
式(1
‑
1)中，为任意点无源场的散射场；为代求场点位置；j为虚数单位；k
s
为电磁波在介质中传播的波数，其值用介质一中的波数k1替代；为散射方向的单位矢量；为边界面的法向量的单位矢量；η
s
为介质的阻抗，其值使用介质一的阻抗η1替代；r0为场点和观测点之间的距离；为总的切向电磁场，其表达式如式(1
‑
2)和(1
‑
3)所示。
[0069][0070][0071]
式(1
‑
2)和(1
‑
3)中，为单位极化向量；为入射方向的单位矢量；r
⊥
是水平极化的菲涅尔反射系数；r
//
是垂直极化的菲涅尔反射系数；e0为入射电磁波的场强。
[0072]
将式(1
‑
1)、(1
‑
2)和(1
‑
3)联立，建立介质一中的散射场如式(1
‑
4)所示：
[0073][0074]
对式(1
‑
4)求近似解如式(2)所示：
[0075][0076]
式(2)中，q为相位因子，k1为介质一中的波数，为散射方向的单位矢量，为入射方向的单位矢量，为源点位置，q
x
、q
y
、q
z
分别是x、y、z轴方向上的相位分量。其中部分变量的表达式如式(3)所示。
[0077][0078]
式(3)中，为散射方向的单位矢量，为入射方向的单位矢量，θ
s
为散射方向的俯仰角，θ
i
为入射方向的俯仰角，为散射方向的方位角，为入射方向的方位角，q
x
、q
y
、q
z
分别是x、y、z方向上的相位分量，k1是介质一中的波数。分别为x轴，y轴，z轴的方向向量。
[0079]
将式(2)和式(3)代入式(1
‑
4)中，将散射电场表达式表示为：
[0080][0081]
式(4)中，为散射方向的单位矢量，为入射方向的单位矢量，为边界面的法向量的单位矢量，k
s
为电磁波在介质中传播的波数，r0为场点和观测点之间的距离，η1为介质的阻抗。
[0082]
进一步得到垂直极化，平行极化以及交叉极化的散射场：
[0083]
[0084]
式(5)中，q为相位因子，，为平行极化散射场，为垂直极化散射场，和为交叉极化散射场，r
⊥
是水平极化的菲涅尔反射系数，r
//
是垂直极化的菲涅尔反射系数，是散射水平波的单位极化分量，是散射垂直波的单位极化分量，是入射水平波的单位极化分量，是入射垂直波的单位极化分量，为散射方向的单位矢量，为入射方向的单位矢量。其中部分变量的表达式如式(6)所示。
[0085][0086]
式(6)中，q为相位分量，q
z
为z方向上的相位分量，r
⊥
是水平极化的菲涅尔反射系数，r
//
是垂直极化的菲涅尔反射系数，是散射水平波的单位极化分量，是散射垂直波的单位极化分量，是入射水平波的单位极化分量，是入射垂直波的单位极化分量，为散射方向的单位矢量，为入射方向的单位矢量，k1为介质一中的波数。
[0087]
介质一中的双基地散射系数表示为公式(7):
[0088][0089]
式(7)中，u
pq
用于代入前述的u
hh
、u
vh
、u
hv
、u
vv
；k1为介质一中的波数，σ为粗糙面的均方根高度，q
x q
y q
z
分别是x、y、z方向上的相位分量而q
x
，q
y
，q
z
表示为：
[0090][0091]
其中，ρ
″
(0)为粗糙面高低起伏相关系数在0处的二阶微商，指数型粗糙面的高低起伏相关系数g(r)为：
[0092]
g(r)＝σ2exp(
‑
|r|/l)
ꢀꢀꢀ
式(9)
[0093]
式(9)中，σ为粗糙面的均方根高度；r为指数型粗糙面两点之间的距离；l为粗糙面的相关长度；
[0094]
式(9)的二阶微商计算过程如下：
[0095][0096]
当x>0
ꢀꢀ
当x<0
[0097][0098][0099][0100]
所以
[0101]
式(10)的l为粗糙面的相关长度。在上述公式中
[0102][0103]
其中，是散射水平波的单位极化分量，是散射垂直波的单位极化分量，是入射水平波的单位极化分量，是入射垂直波的单位极化分量，为散射方向的单位矢量，为入射方向的单位矢量，θ
s
为散射方向的俯仰角，θ
i
为入射方向的俯仰角，为散射方向的方位角，为入射方向的方位角。
[0104]
通过公式(6)、(7)、(8)、(10)、(11)即可求出指数型粗糙面双基地散射系数。图4为单根射线的追踪模型。
[0105]
步骤四、亮温反演部分，图5为多层亮温追踪法的单根射线反演模型。通过反演计算所有射线所代表的亮温，即可得到虚拟模型的亮温分布情况。
[0106]
步骤五、改变被测场景中四条跑道所对应的粗糙度统计参数，分别为(σ＝1.8λ,l＝10λ)、(σ＝2.4λ,l＝10λ)、(σ＝3.0λ,l＝10λ)、(σ＝3.6λ,l＝10λ)。通过亮温成像得到高斯型粗糙面和指数型粗糙面不同粗糙程度下的亮温分布情况，为图6、图7所示。分别从四条跑道中取出单条亮温线进行对比，得到不同粗糙度下高斯型粗糙面与指数型粗糙面亮温对比图，如图8所示。由于高斯型粗糙面与指数型粗糙面物理模型与粗糙面高度方差的不同，如图9、图10所示，两者的亮温分别情况也有所不同。通过对比发现高斯型粗糙面和指数型粗糙面下的亮温分布情况在不同粗糙度的情况下存在差异，并且在相同粗糙度下高斯型粗糙面和指数型粗糙面也存在亮温差。亮温差随粗糙面变化图如图11和图12所示。通过观察
图11和图12发现，指数型粗糙面亮温模拟图与传统的粗糙面亮温模拟图存在一定的亮温差，并且亮温差随着均方根高度和相关长度的改变而改变。当被测场景为林地，山峰，沙地表现为指数型粗糙面的场景时，使用传统的高斯型粗糙面的亮温成像方法会存在亮温误差，而使用针对指数型型粗糙面的亮温成像方法则误差更小，结果更精确。