基于并行PO/EEC的ISAR回波生成與成像仿真

武光輝，童創(chuàng)明，2，李西敏，彭 鵬

(1.空軍工程大學(xué) 防空反導(dǎo)學(xué)院,西安 710051；2.國(guó)家微波毫米波重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210096)

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基于并行PO/EEC的ISAR回波生成與成像仿真

武光輝1，童創(chuàng)明1，2，李西敏1，彭 鵬1

(1.空軍工程大學(xué) 防空反導(dǎo)學(xué)院,西安 710051；2.國(guó)家微波毫米波重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210096)

為了滿足基于模板的逆合成孔徑雷達(dá)(ISAR)目標(biāo)識(shí)別對(duì)海量高分辨模板圖像的工程需求，提出了一種基于并行電磁散射特性計(jì)算技術(shù)的ISAR圖像信號(hào)級(jí)仿真方法。首先，以O(shè)penMP技術(shù)為基礎(chǔ)采用并行物理光學(xué)和等效邊緣電磁流對(duì)目標(biāo)的電磁散射特性進(jìn)行快速計(jì)算；其次，以步進(jìn)頻率波形為雷達(dá)發(fā)射波形結(jié)合目標(biāo)的電磁散射特性生成了寬帶雷達(dá)回波數(shù)據(jù)；最后，對(duì)使用距離多普勒算法對(duì)仿真回波數(shù)據(jù)進(jìn)行處理生成ISAR像，并與點(diǎn)陣模型成像結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。實(shí)現(xiàn)了對(duì)ISAR圖像的信號(hào)級(jí)快速仿真，對(duì)ISAR系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證、ISAR圖像解譯和目標(biāo)識(shí)別以及ISAR成像處理等具有重要意義。

回波生成；ISAR成像；物理光學(xué)法；等效電磁流；OpenMP

0 引 言

逆合成孔徑雷達(dá)(ISAR)具有全天時(shí)、全天候、遠(yuǎn)距離、高分辨等優(yōu)點(diǎn)[1]。ISAR通過(guò)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行二維高分辨成像，可以精確地描述目標(biāo)的結(jié)構(gòu)特性和散射中心分布特性，進(jìn)而提高目標(biāo)的識(shí)別能力[2]。對(duì)于ISAR系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)的各要素而言，尤其是對(duì)于抗欺騙式干擾而言，海量高分辨模板圖像是十分重要的一部分。由于外場(chǎng)寬帶實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的成本很高[3]，且對(duì)于某些目標(biāo)而言是無(wú)法獲得的，因此一種快速、高精度、高分辨的ISAR圖像仿真方法不失為一種有效的途徑。

根據(jù)寬帶回波仿真不同的應(yīng)用方向，衍生出的仿真方法也不盡相同。目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)不同的應(yīng)用方向發(fā)展出了多種寬帶回波的仿真方法，大致可以分為基于特征的仿真和基于信號(hào)的仿真兩大類(lèi)。前者通過(guò)基于散射中心的點(diǎn)陣模型直接得到目標(biāo)的寬帶回波幅度模型[4]；后者基于目標(biāo)的電磁散射特性[5-6]，結(jié)合雷達(dá)參數(shù)對(duì)目標(biāo)的寬帶回波進(jìn)行仿真，不僅可以對(duì)信號(hào)的幅度進(jìn)行仿真還可以對(duì)相位進(jìn)行仿真。基于電磁散射特性的寬帶回波仿真能更真實(shí)、更全面地揭示和反映目標(biāo)的電磁散射特性，以此為基礎(chǔ)的ISAR成像能夠得到細(xì)致的目標(biāo)特征，能更好地滿足ISAR圖像解譯和目標(biāo)識(shí)別的應(yīng)用需求[7-10]。目標(biāo)電磁散射特性的計(jì)算方法種類(lèi)繁多，在電大尺寸目標(biāo)的寬帶散射特性預(yù)估方向，工程上常用的方法有幾何光學(xué)法(GO)、物理光學(xué)法(PO)、一致性繞射理論(UTD)、射線彈跳法(SBR)。考慮到需要對(duì)速度和精度的折中，文中選用等效邊緣電磁流(EEC)修正的PO方法[11]，并使用基于OpenMP的并行技術(shù)加速計(jì)算過(guò)程。就現(xiàn)有成像雷達(dá)而言，常用的雷達(dá)波形有步進(jìn)頻率波形和chirp波形[12]，其中大多數(shù)選用的是步進(jìn)頻率波形，本文生成的雷達(dá)回波也采用該波形。對(duì)于步進(jìn)頻波形的回波而言，進(jìn)行采樣、插值然后采用基于傅里葉變換的距離多普勒算法(RDA)進(jìn)行成像處理，具有簡(jiǎn)單高效的特點(diǎn)。

1 并行PO/EEC計(jì)算目標(biāo)電磁散射特性

PO方法是工程上常用的電大目標(biāo)電磁散射特性預(yù)估方法，能夠很好地解決高頻率、寬頻帶、電大尺寸的問(wèn)題[11]。此外，通過(guò)EEC方法能夠很好的彌補(bǔ)物理光學(xué)無(wú)法計(jì)算復(fù)雜目標(biāo)棱邊繞射的問(wèn)題。采用物理光學(xué)法和等效電磁流法能夠使得目標(biāo)后向散射特性的計(jì)算既具有可觀的精度，又具有可實(shí)施性。

1.1 PO方法計(jì)算目標(biāo)的后向散射場(chǎng)

物理光學(xué)法通過(guò)對(duì)表面場(chǎng)的近似和積分來(lái)求解目標(biāo)散射場(chǎng)。其算法的核心就是將目標(biāo)采用平面面元分解，將整個(gè)目標(biāo)物體的外殼結(jié)構(gòu)用許多平面單元來(lái)擬合而整個(gè)散射場(chǎng)的值就是每個(gè)面元散射場(chǎng)值的總和。根據(jù)Stratton-Chu散射場(chǎng)積分方程表達(dá)式我們可以得出表面散射場(chǎng)為

(1)

目標(biāo)為導(dǎo)體時(shí)，由邊界條件得到

(2)

由PO方法得到的散射場(chǎng)表達(dá)式為

(3)

式中：S′為入射波束照射部分，采用Z-buffer算法得到。上式中的積分采用Gordon積分進(jìn)行求解。

1.2 EEC方法計(jì)算目標(biāo)的棱邊繞射場(chǎng)

在高頻電磁計(jì)算中，物理光學(xué)法只考慮目標(biāo)表面反射的情況，無(wú)法計(jì)及計(jì)算目標(biāo)棱邊繞射對(duì)散射場(chǎng)的貢獻(xiàn)。采用EEC計(jì)算邊緣繞射場(chǎng)可以很好地對(duì)PO方法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正，并且避免了一致繞射理論(UTD)和幾何繞射理論(GTD)中的散焦區(qū)場(chǎng)問(wèn)題[13]。

EEC方法通過(guò)計(jì)算目標(biāo)棱邊上的等效電流Ie和等效磁流Im來(lái)對(duì)棱邊的繞射場(chǎng)進(jìn)行修正

(4)

(5)

(6)

式中：βi為電磁波入射方向與棱邊的夾角；De、Dm為物理繞射系數(shù)。

1.3 基于OpenMP的并行實(shí)現(xiàn)

對(duì)于真實(shí)的電大復(fù)雜目標(biāo)而言，即使采用PO/EEC方法計(jì)算其電磁散射特性，目標(biāo)模型剖分得到的三角面元數(shù)量可能達(dá)到百萬(wàn)級(jí)或更高，所需計(jì)算量仍然很大計(jì)算效率難以滿足工程需求。采用基于OpenMP的并行技術(shù)，可以充分利用現(xiàn)有的計(jì)算性能，提高程序的運(yùn)行效率。

1.3.1 胃電圖監(jiān)測(cè) 兩組患者分別于手術(shù)當(dāng)日清晨、術(shù)后第1天、術(shù)后第3天和術(shù)后第5天晨空腹抽血后進(jìn)行空腹胃電圖檢測(cè)。采用合肥華新電子技術(shù)研究所凱利光電科技有限公司產(chǎn)EGEG-2D8型雙導(dǎo)智能胃腸電圖儀，電極放置:以劍突與臍連線中點(diǎn)為0點(diǎn)。第1導(dǎo)聯(lián)在0點(diǎn)上1 cm，左移4 cm處(胃體);第2導(dǎo)聯(lián)在0點(diǎn)平行右移4 cm處(胃竇)，參考電極置于患者右手腕部?jī)?nèi)側(cè)，接地電極接于患者右腳踝上內(nèi)側(cè)。頻率正常值為(3±0.6)cpm，幅值正常值為 (150～350)uV。

OpenMP采用分/合的并行執(zhí)行模式，并行模式執(zhí)行的基本思想是:程序開(kāi)始時(shí)只有一個(gè)主線程，程序中的串行部分都由主線程執(zhí)行，并行部分通過(guò)主線程派生其他線程來(lái)執(zhí)行；在并行部分結(jié)束前是不能執(zhí)行串行部分的。并行PO/EEC算法通過(guò)主線程完成消隱工作，然后各個(gè)派生線程共同完成被電磁波直接照亮面元和棱邊的積分計(jì)算工作。工作過(guò)程如圖1所示。

圖1 PO/EEC算法的并行實(shí)現(xiàn)流程

1.4 PO/EEC方法計(jì)算結(jié)果的后處理

整個(gè)目標(biāo)的后向散射場(chǎng)為

Etotal=EPO+EEEC

(7)

定義目標(biāo)對(duì)電磁場(chǎng)的調(diào)制系數(shù)μ為

(8)

式中：p為雷達(dá)天線的極化方向。

通過(guò)圖2中對(duì)比PO/EEC和MLFMM算法的計(jì)算結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)PO/EEC算法具有較高的計(jì)算精度。

圖2 立方體10 GHz、VV極化條件下PO-EEC與MLFMM算法對(duì)比

2 ISAR回波模型與成像處理

2.1 目標(biāo)姿態(tài)計(jì)算

如圖3所示，點(diǎn)O為雷達(dá)所在位置，目標(biāo)的質(zhì)心位置位于T。以T點(diǎn)所在位置為原點(diǎn)建立目標(biāo)本地坐標(biāo)系Txyz，y軸以目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向?yàn)檎瑉軸方向以垂直于y軸向上為正，x軸與y軸z軸形成右手系。雷達(dá)在該坐標(biāo)軸下的坐標(biāo)為(xi,yi,zi)，OT為點(diǎn)O在平面xTy內(nèi)的投影，坐標(biāo)為(xO,yO,0)。可得目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)的任意時(shí)刻斜距RT為

(9)

圖3 目標(biāo)姿態(tài)示意圖

θT為目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)視線(LOS)的俯仰角，定義為L(zhǎng)OS與 軸正方向的夾角，即

(10)

φT為真實(shí)目標(biāo)相對(duì)于LOS的方位角，定義為L(zhǎng)OS與x軸正方向的夾角，即

(11)

2.2 ISAR目標(biāo)回波信號(hào)模型

步進(jìn)頻率波形(SFW)成像雷達(dá)常用的雷達(dá)波形。根據(jù)定義，步進(jìn)頻率雷達(dá)信號(hào)由N個(gè)子脈沖組成

(12)

第n個(gè)子脈沖可以表示為

exp(j[2π(fc+nΔf)t])

(13)

式中：rect(·)為矩形窗函數(shù)；fc為載頻；Δf為兩個(gè)子脈沖之間的頻率差；TPRI為脈沖重復(fù)間隔；τ為脈沖持續(xù)時(shí)間[14]。

目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)的運(yùn)動(dòng)可以分為兩部分：瞬時(shí)斜距RT(t)決定的平動(dòng)；θT(t)、φT(t)共同決定的轉(zhuǎn)動(dòng)。所以雷達(dá)的ISAR回波信號(hào)可以表示為

(14)

rn(t)=μ(θ(t),φ(t))×

exp(j[2π(fc+nΔf(t-2RT(t))])

(15)

式中：RT(t)為t時(shí)刻目標(biāo)與雷達(dá)的距離；μ(θT(t),φT(t))為t時(shí)刻目標(biāo)對(duì)雷達(dá)脈沖的調(diào)制系數(shù)，θT(t)、φT(t)分別為t時(shí)刻雷達(dá)觀測(cè)目標(biāo)的高低角和方位角。

2.3ISAR成像處理

圖4 ISAR回波生成與成像流程

3 仿真結(jié)果與分析

如圖5所示，以F-117飛機(jī)作為仿真目標(biāo)模型，分別建立相應(yīng)的全尺寸電磁散射模型和全尺寸點(diǎn)陣模型，其中，翼展13 m，全長(zhǎng)20 m，機(jī)高7.8 m。仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。

圖5 電磁散射3D模型和點(diǎn)陣模型示意圖

參數(shù)參數(shù)值參數(shù)參數(shù)值脈沖重復(fù)頻率/Hz500目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度/(m·s-1)100中心頻率/GHz3觀測(cè)時(shí)間/s2帶寬/MHz300零時(shí)刻目標(biāo)位置/km(0,3.46,2)

為了反映目標(biāo)不同運(yùn)動(dòng)姿態(tài)下的電磁散射模型的ISAR成像和點(diǎn)陣模型的ISAR成像之間的差異，分別對(duì)目標(biāo)在不同姿態(tài)下的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真。圖6a)為通過(guò)建立全尺寸3D模型并結(jié)合并行PO/EEC方法計(jì)算目標(biāo)寬帶電磁散射特性，然后生成的SFW回波，使用RDA算法得到的ISAR像；圖6b)為采用傳統(tǒng)方法對(duì)點(diǎn)陣模型進(jìn)行回波生成并結(jié)合RDA模型所成的ISAR像。此時(shí)兩種目標(biāo)模型均沿垂直于LOS方向勻速運(yùn)動(dòng)，雷達(dá)觀測(cè)目標(biāo)的高低角約30°。通過(guò)比較圖6a)、圖6b)中標(biāo)注出的I、II、III處可以發(fā)現(xiàn)兩種模型得到的ISAR像具有很大的差異性。圖6a)中的I處(尾翼部分)和II處(左側(cè)機(jī)翼)的差異是由于目標(biāo)姿態(tài)變化導(dǎo)致的飛機(jī)各個(gè)部件之間的遮擋效應(yīng)導(dǎo)致的，圖6b)中則無(wú)法表現(xiàn)出這種差異。圖6b)中的III處(右側(cè)機(jī)翼翼面)出現(xiàn)較為明顯的鏤空現(xiàn)象，這是由于點(diǎn)陣模型本身就是對(duì)目標(biāo)輪廓的一種采樣，無(wú)法真實(shí)表達(dá)目標(biāo)的幾何信息導(dǎo)致的；相比而言，精確3D模型的圖6a)中III處能更逼真地反應(yīng)目標(biāo)的ISAR成像結(jié)果。

圖6 兩種模型成像結(jié)果

圖7中是對(duì)目標(biāo)另外一種姿態(tài)進(jìn)行仿真的成像結(jié)果，此時(shí)兩種目標(biāo)模型均沿與LOS夾角120°方向勻速運(yùn)動(dòng)，雷達(dá)起始時(shí)刻觀測(cè)目標(biāo)的高低角約30°。通過(guò)比較可以發(fā)現(xiàn)，由于遮擋原因在VI處(尾翼部分)圖7a)、圖7b)的成像結(jié)果也不相同。圖7a)、圖7b)中V處產(chǎn)生差異的原因與圖6a)、圖6b)中II處產(chǎn)生差異的原因都是由于點(diǎn)陣模型無(wú)法完整表示目標(biāo)的幾何信息。圖7a)、圖7b)中VI處(駕駛艙部分)的差異一方面由點(diǎn)陣模型表達(dá)目標(biāo)幾何信息不完整導(dǎo)致，另一方面由于計(jì)算電磁學(xué)方法得到的目標(biāo)散射特性成像聚焦導(dǎo)致的。就整體而言，采用電磁散射模型計(jì)算目標(biāo)電磁散射特性，并生成回波進(jìn)行ISAR成像所得到的成像結(jié)果更有立體感，更為真實(shí)。

圖7 兩種模型成像結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)使用點(diǎn)陣目標(biāo)模型進(jìn)行ISAR回波信號(hào)模擬和成像的劣勢(shì)和不足，采用基于并行PO/EEC的電磁散射模型進(jìn)行回波生成和ISAR成像仿真。該方法能夠更好地反映目標(biāo)的結(jié)構(gòu)特征，包括典型部件在不同姿態(tài)下的散射中心分布差異以及目標(biāo)不同結(jié)構(gòu)之間的遮擋效應(yīng)、多次散射等特性，得到的ISAR像更有立體感，更為真實(shí)。使用電磁散射模型來(lái)滿足基于模板的ISAR目標(biāo)識(shí)別對(duì)海量高分辨模板圖像的工程需求，對(duì)于提升對(duì)抗ISAR欺騙式干擾的能力具有積極意義。

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武光輝 男，1991年生，碩士。研究方向?yàn)槟繕?biāo)與環(huán)境散射特性及應(yīng)用。

童創(chuàng)明 男，1964年生，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向?yàn)橛?jì)算電磁學(xué)、天線設(shè)計(jì)和高頻電路設(shè)計(jì)等。

李西敏 男，1982年生，博士，講師。研究方向?yàn)橛?jì)算電磁學(xué)，雷達(dá)目標(biāo)特性。

彭 鵬 男，1990年生，講師。研究方向?yàn)橛?jì)算電磁學(xué)，雷達(dá)目標(biāo)特性。

ISAR Echo Simulation and Imaging Based on Parallel Hybrid PO/EEC Method

WU Guanghui1，TONG Chuangming1,2，LI Ximin1，PENG Peng1

(1.Air and Missile Defense College,Air Force Engineering University,Xi′an 710051,China) (2.State Key Laboratory of Millimeter Waves,Nanjing 210096,China)

Aiming at meeting the engineering demands for mass high resolution ISAR images by template-based target recognition,an efficient signal level ISAR simulation approach is proposed based on parallel computation technology of electromagnetism scattering.The electromagnetism scattering from target is calculated by the hybrid physical optics (PO) and equivalent edge current (EEC) method,which is accelerated with parallel computing technology based on OpenMP.Stepped frequency wave form (SWF) is chosen as the radar radiation wave form.With the data of electromagnetism scattering from target the wide-band echo is generated in stepped frequency wave form.Finally,the ISAR image is obtained using the Range-Doppler algorithm (RDA),and the difference from the ISAR image of scattered point model is analysed.The signal level ISAR imaging fast simulation is implemented in this approach,which is of important significance on the design and verification of ISAR system,the ISAR image interpretation and target recognition and the image processing.

echo simulation; ISAR imaging; physical optics; equivalent edge current; OpenMP

??處理·

10.16592/j.cnki.1004-7859.2016.10.005

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61372033)；航空科學(xué)基金資助項(xiàng)目(20130196005)

武光輝 Email：ghwucem@163.com

2016-07-18

2016-09-19

TN955

A

1004-7859(2016)10-0018-05