Scattering from Rough Surfaces Using the"Shooting and Bouncing Rays" Technique

The “shooting and bouncing rays” (SBR) technique is used to analyze the electromagnetic scattering characters of ocean rough surfaces varying with time. Some numerical results are presented and compared with the method of moments, and some factors, such as the incident angle, polarization and frequency are investigated which influence on electromagnetic scattering characters of ocean rough surfaces.

基于改进SBR技术的地面目标SAR图像快速生成技术

传统的弹跳射线(shooting and bouncing ray,SBR)技术主要适用于自由空间目标的电磁散射计算,当用于地面目标与背景复合场景的电磁散射计算和合成孔径雷达(synthetic aperture radar,SAR)图像建模与仿真时,在小擦地角下其计算误差显著增大。针对此问题,提出了一种基于“四路径”模型的改进SBR技术,其考虑了目标与邻域地面之间的多次反射效应以及目标与远区地面之间的多径散射效应对地面目标散射回波的影响。首先构建一个尺寸略大于目标包围盒的粗糙地面实体模型;然后结合“镜像法”改进射线追踪技术,分析电磁波在目标各部件间、目标同实体地面之间以及同虚拟半空间分界面之间的射线传播过程;最后结合高频渐近方法完成电磁散射计算。利用精确数值法计算结果对所提出技术进行了验证,并将其应用于地面目标的SAR图像高逼真度仿真,同实测SAR图像比对表明了所提技术具有良好的适用性。

基于改进SBR的舰船SAR成像快速仿真计算方法

针对SAR(Synthetic Aperture Radar)舰船成像仿真应用中电磁散射特性计算效率低下的问题,在现有SBR(Shooting and Bouncing Rays)算法的基础上,本文提出两方面改进.一是基于叶节点空间邻域编码搜索的射线管相交面元检测算法,通过只追踪射线管中心射线并搜索叶节点空间周围潜在相交面元,在有效提升相交检测速度的同时避免遗漏相交面元;二是射线管三角剖分快速分裂算法,将射线管和相交面元投影至射线管虚拟孔径面,利用Delaunay三角剖分算法自适应地将射线管快速分裂成连续的子射线管.对典型舰船目标进行RCS(Radar Cross Section)计算及SAR成像仿真实验,结果表明,在保证计算精度的前提下,本文方法计算效率比Kd树(K-dimension tree)加速SBR方法提升14倍以上,比经典自适应射线管分裂SBR方法提升3倍以上,计算效率显著提高.

Electromagnetic scattering and imaging simulation of extremely large-scale sea-ship scene based on GPU parallel technology

Aiming to solve the bottleneck problem of electromagnetic scattering simulation in the scenes of extremely large-scale seas and ships,a high-frequency method by using graphics processing unit(GPU)parallel acceleration technique is proposed.For the implementation of different electromagnetic methods of physical optics(PO),shooting and bouncing ray(SBR),and physical theory of diffraction(PTD),a parallel computing scheme based on the CPU-GPU parallel computing scheme is realized to balance computing tasks.Finally,a multi-GPU framework is further proposed to solve the computational difficulty caused by the massive number of ray tubes in the ray tracing process.By using the established simulation platform,signals of ships at different seas are simulated and their images are achieved as well.It is shown that the higher sea states degrade the averaged peak signal-to-noise ratio(PSNR)of radar image.

电大尺寸开口腔体RCS的SBR并行计算

文章利用消息传递协议MPI开发了针对电大尺寸开口腔体单站雷达截面(RCS)的射线弹跳法(SBR)并行计算程序。程序采用按照RCS计算角度间隔分配计算任务的大粒度并行计算方法,取得了较高的并行计算效率,大大减少了电大尺寸开口腔体的RCS计算时间。算例计算结果与文献吻合良好。

一种基于Weiler-Atherton算法的SBR射线管分裂技术

射线管分裂是SBR方法中的一个关键问题,传统的射线管分裂方法存在与目标模型不匹配,计算精度差等缺点,而近年来出现的自适应射线管分裂技术,利用目标模型的三角面片对射线管进行动态剖分,可以有效解决上述问题。本文研究了该技术中的几个关键步骤,通过将Weiler-Atherton算法的内、外裁剪方法相嵌套,给出了射线管孔径面与物体三角片的裁剪算法,并设计了简单有效的凹多边形的凸划分方法,将生成的射线管孔径面剖分成三角片或四边形以降低后续计算复杂度,提高效率。

New hybridization of PO, SBR, and MoM for scattering by large complex conducting objects

As a marked extension of the traditional MoM-PO （method of moment-physical optics） hybrid method, a new hybridization of PO, SBR, and MoM （MoM-SBR/PO） is presented to calculate the multireflection contribution in the PO region efficiently by introducing the method of SBR based on RDN notion, which avoids the time-consuming iterative procedure and the choice of proper Green＇s function. As compared with the traditional MoM-PO hybrid method, the calculation efficiency of the proposed method is greatly improved, and its validity is verified by numerical results.

基于天线方向图与近场SBR的海面舰船复合散射研究

针对弹目交互场景中近场电磁散射仿真问题,提出了一种基于近场弹跳射线(shooting and bouncing ray, SBR)法并考虑天线方向图影响的海面舰船复合散射计算模型.根据天线方向图和海面舰船一体化几何模型,给出满足物理光学远场计算条件的面元所接收到的电场强度,通过SBR法得出所有面元的散射场,最后由矢量叠加得到舰船目标的近场雷达散射截面.该模型的计算结果与商业软件FEKO的数值方法对比吻合较好,可用于分析海面舰船复合近场散射特性.

计算曲面结构目标的发散因子修正弹跳射线法

[目的]在使用弹跳射线法(SBR)计算曲面目标的电磁散射特性时,若采用平面片离散曲面结构,会对射线管的波前计算以及射线跟踪造成较大误差,导致仿真结果的置信度明显下降,因此需进行算法修正。[方法]在修正算法中利用曲面拟合技术重塑三角型离散模型的曲率信息,基于微分几何计算射线管波前曲率,进而引入发散因子修正射线管的幅值。另外,对于采样精度下降的发散射线管,设计出新的射线追踪方法,并实现射线管对目标表面的超采样。[结果]数值结果表明,修正后的算法有效提高了射线管的采样精度和曲面结构目标的计算准确度。[结论]发散因子修正对于提高弹跳射线法计算曲面目标散射特性的准确度具有重要意义。

基于HPP/PO的舰船与海面耦合散射快速算法

针对粗糙海面上舰船类超电大尺寸复杂目标电磁散射问题,提出了一种基于混合面元投影(HPP)和物理光学法(PO)的计算目标与海面耦合散射的快速算法。首先建立基于海谱的海面几何模型,并考虑海面面元的微粗糙特性,修正海面反射系数,然后针对目标和海面的结构特点,形成两种尺度面元混合的目标与海面模型,对电磁波在海面和目标之间的多次反射按照GO原理进行快速投影运算,并利用PO计算投影区域的散射贡献,最后给出了几组典型实例的计算结果。数值计算表明,该方法对于海面舰船类目标的散射计算是高效、准确的。

基于电磁散射的复杂目标SAR回波与图像仿真

复杂目标的SAR图像仿真技术,对于目标识别与解译研究具有重要意义。该文提出的仿真算法,从目标的3维模型出发,运用弹射线原理,通过仿真全方位,全频带的目标散射系数来构建回波并成像。改传统平面波入射为球面波入射,使得算法不仅能够仿真远场成像系统,也适用于近场仿真成像。标准体实验,验证了算法的近远场,全极化,多角度,宽频带的仿真能力;复杂目标的仿真结果,同实测数据相比十分逼真。

基于自适应射线管分裂的多次反射计算方法

传统弹跳射线(shooting and bouncing rays,SBR)方法采取按均匀射线管的方式进行射线追踪,因此,在计算电大尺寸复杂目标多次反射时,需要处理海量射线,计算效率极低,应用上受到很大限制。提出了一种基于复杂目标不规则三角网(triangle irregular network,TIN)模型的自适应射线管分裂算法(adaptive ray tubesplitting algorithm,ARTSA),利用TIN模型信息动态生成非均匀初始射线管,经过与模型三角面元的求交、多边形裁剪和三角化处理,将初始射线管自适应分裂成多个子射线管,利用口面积分(aperture integral,AI)法计算各子射线管的多次反射场,通过相干叠加获得目标多次反射贡献。与传统SBR方法相比,在相同计算精度下,所提算法能极大地减少射线追踪数量,显著提高计算电大尺寸复杂目标多次反射的效率。

基于高频方法分析电大尺寸目标的散射

采用物理光学法及其改进方法分析电大目标的雷达散射截面。作为对物理光学方法的修正,采用等效电磁流法计算了物体棱边绕射场的贡献。由于电磁波在腔体内存在多次反射,物理光学方法对于腔体的电磁散射问题给出的结果误差较大。为此,可以采用迭代物理光学法和弹跳射线法计算腔体散射。分别采用迭代物理光学法和弹跳射线法方法计算了腔体电磁散射,并且对迭代物理光学法与弹跳射线法方法的优缺点进行了对比。最后,提出利用图形处理器加速弹跳射线法方法的射线追踪部分,实现了弹跳射线法方法的有效加速。数值结果表明上述方法是有效的。

基于目标CSAR回波模型的SAR自动目标识别算法

基于模板的SAR目标识别需要存储海量的目标模板,给识别系统的设计和算法效率的提高都造成了严重的困难,而基于模型的方法克服了上述问题,并已成为下一代目标识别算法研究的热点。该文提出的基于圆周SAR(CSAR)回波模型的识别算法,从目标的3维CAD模型出发,利用弹射线原理构建目标的CSAR回波,并通过在线实时预测目标聚束SAR图像来完成识别。同传统的基于散射中心模型的算法相比,利用CSAR回波的算法不仅预测结果准确,而且算法简单高效。仿真实验验证了算法的有效性,并比较了相关算法的优缺点。

反射张量在射线追踪法中的应用

针对射线追踪法(shooting and bouncing ray,SBR)中反射路径计算,提出了采用反射张量表示单次和多次反射作用的方法,并进行了详细推导。对于同一反射路径,射线方向、极化方向的变化可以用同一个张量与原方向的点积表示。通过分析张量的运算,研究了单站情形不同极化下射线追踪法计算结果。算例表明,反射张量表示方法用于射线追踪法正确、有效,可方便地对各种构型的散射目标进行分析研究。

复杂外形飞行器目标的射线追踪法效率改进

针对计算效率是制约射线追踪（shooting and bouncing ray,SBR）法在复杂外形飞行器目标上应用的主要因素,在射线管口面确定和反射点求解两方面给出效率改进措施。把目标面元数据变换到入射坐标系中,在入射平面上投影并划分射线带,根据所有面元投影数据找到射线带的两个端点,所有射线带的集合即为射线管口面。对复杂外形飞行器目标在每个射线带上设置多个片段,完全避免不与目标相交的废射线管的产生。坐标变换之后入射方向与一根坐标轴平行,采用分组法加速第一次求交判断。在第二次及以后的求交判断中,根据射线方向将目标所在空间分为可见区和不可见区,仅对可见区的面元进行求交判断。对具有耦合特性的复杂外形飞行器目标进行了编程计算,对比分析了两种求交判断加速方法的效果,讨论了分组边长对分组法效率的影响。计算结果显示,该方法对复杂外形飞行器目标的计算效率为普通SBR法的7~8倍。

目标二维RCS成像仿真与实验研究

对目标开展了二维RCS成像仿真与实验研究,分别采用SBR方法与解析方法计算目标的散射特性并提取相应的二维RCS成像信息,基于时域加窗技术对采样信号进行加权处理抑制旁瓣电平以提高成像质量,通过Cross-Range处理方法获取目标二维RCS成像结果以表征目标散射的强弱分布,设计了斜置平板以及3个小球这两个典型案例,展开相应的二维RCS成像仿真与实验分析研究。结果表明:二维RCS成像仿真结果与测试结果吻合良好,有效验证了二维RCS成像仿真方法的有效性。

一种基于三维射线弹跳法的并行电磁传播预测算法

提出了一种基于三维射线弹跳法的并行电磁波传播预测算法。三维射线弹跳法中每条射线跟踪、每个绕射源都具备可并行性，其并行计算可分为射线并行、绕射源并行2个阶段先后处理。每个阶段都使用管理者／工作者并行模式，管理节点依据各个工作节点的任务量动态分配任务，并收集计算结果，工作节点并行完成射线跟踪或绕射源处理任务。测试结果表明：该算法的加速比趋干线性，可扩展性好，利用128个CPU核求解大规模问题时加速比可达116，并行效率约为90％。

基于弹跳射线技术的三维GTD模型构建方法

传统的基于弹跳射线(shooting and bouncing ray,SBR)技术的散射中心提取方法只考虑了理想点模型,但理想点模型无法描述散射中心的频率依赖特性。对此,提出一种基于弹跳射线技术的三维几何绕射理论(geometrical theory of diffraction,GTD)模型构建方法,在通过传统方法获取的理想点模型的基础上,利用射线管数据正向推算散射中心的频率依赖参数并修正其径向位置,实现了高精度三维GTD模型构建。仿真结果表明,点频、单视角下构建的三维GTD模型不仅能准确重构相同条件下的雷达散射截面(radar cross section,RCS),还能实现宽带RCS外推,能够满足目标宽带散射数据高效压缩和快速重构的应用需求。

A hybrid method of solving near-zone composite eletromagnetic scattering from targets and underlying rough surface

For composite electromagnetic(EM)scattering from rough surface and target above it in near-field condition,modified shooting and bouncing ray(SBR)method and integral equation method(IEM),which are analytic methods combined with two-scale model for rough surface,are proposed to solve the composite near-field scattering problems.And the modified method is verified in effectiveness and accuracy by comparing the simulation results with measured results.Finally,the composite near-fielding scattering characteristics of a slanted plane and rough water surface below are obtained by using the proposed methods,and the dynamic tendency of composite scattering characteristics versus near-fielding distance is analyzed,which may have practical contribution to engineering programs in need of radar targets near-field characteristics under extra-low-altitude conditions.