靶标雷达特性快速预测与分析.pdf
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1、第4期2023年8月Vol.21 No.4August 2023雷达科学与技术Radar Science and TechnologyDOI:10.3969/j.issn.16722337.2023.04.003靶标雷达特性快速预测与分析黄巍浩1,何思远1,张云华1,李婉聪1,杨泽望2,刘建2(1.武汉大学电子信息学院,湖北武汉 430072;2.中国人民解放军63921部队,北京 100094)摘要:含多次散射复杂靶标雷达特性的快速预估和分析是靶标设计优化的重要基础,同时也是电磁散射建模领域的重要研究课题之一。多次散射结构及其复杂散射机理导致靶标雷达特性仿真效率低下、特性分析困难。本文提出了
2、一种CPU多核并行技术、GPU硬件加速技术和KDTree遍历技术相结合的靶标高频电磁散射加速方法,建立了带腔舰船、角反射器阵列与舰船等含多次散射复杂靶标的高频电磁散射模型,可以满足大型靶标进行快速评估的需求。本文进一步提出了多次散射距离像位置快速预测方法,通过多次散射射线分集结合射线路径相位理论预估,快速推导了多次散射等效视在中心的位置,揭示了含腔靶标的多路径散射机理与作用过程;并通过舰船目标的仿真与分析,建立了大型靶标多次散射形成的强散射贡献与其具体几何结构之间的映射关系。关键词:靶标雷达特性;高频算法;多次散射;并行计算;快速预测中图分类号:TN957.52文献标志码:A文章编号:1672
3、2337(2023)04037509Fast Prediction and Analysis of Radar Characteristics of TargetHUANG Weihao1,HE Siyuan1,ZHANG Yunhua1,LI Wancong1,YANG Zewang2,LIU Jian2(1.School of Electronic Information,Wuhan University,Wuhan 430072,China;2.Unit 63921 of PLA,Beijing 100094,China)Abstract:Fast prediction and anal
4、ysis of radar characteristics of complex targets with multiple scattering is an important basis for target design optimization and is also one of the important research topics in the field of electromagneticscattering modeling.Multiple scattering structure and complex scattering mechanism lead to lo
5、w simulation efficiencyand difficulty in characteristic analysis of radar target.In this paper,a high frequency electromagnetic scattering acceleration method for targets is proposed,which combines CPU multicore parallel technology,GPU hardware accelerationtechnology and KDTree traversal technology.
6、The high frequency electromagnetic scattering model of complex targetsincluding ships with cavity,angular reflector arrays and ships is established,which can satisfy the needs of rapid evaluation of large targets.Further,a fast prediction method for multiplescattering range image position is propose
7、d.By combining multiplescattering ray diversity with ray path phase prediction theory,the multiplescattering equivalent apparent position of the center is deduced rapidly,and the multipath scattering mechanism and action process of the targetcontaining cavity are revealed.Through the simulation and
8、analysis of ship target,the mapping relationship between thestrong scattering contribution formed by multiple scattering of large target and its specific geometric structure is established.Key words:target radar characteristics;highfrequency algorithm;multiplescattering;parallel computing;fastpredic
9、tion0引言靶标设计和优化对提升武器系统性能有着重要的支撑作用,靶标雷达特性预估和分析则是靶标设计优化的重要基础。多次散射结构广泛存在于各类靶标外形结构和靶场应用之中,如靶场角反射器及其阵列的使用、飞机进气道结构、舰船复杂上层建筑形成的多次散射结构等12。如何准确、高效地实现对含多次散射复杂靶标雷达特性的快速预估和分析,仍然是电磁散射建模领域的重要研究课题34。高频电磁散射建模方法具有计算效率高、物理机理清晰、工程应用性强的优点,非常适合于大型靶标宽带雷达特性的快速计算和分析5。收稿日期:20230204;修回日期:20230329基金项目:国家自然科学基金(No.61571333)雷达科学
10、与技术第 21 卷 第 4 期然而,在靶场尤其是大型靶标设计的实际工程应用中,为了获取合理的设计结果,需要大量重复计算和优化,现有高频计算方法依然难以满足靶标设计高效性的需求,靶标雷达特性快速预估和分析面临诸多困难和挑战。这些挑战和困难主要来自以下几个方面。首先,对电大尺寸靶标的高分辨一维距离像(HRRP),二维雷达图像(SAR)等目标宽带雷达特性的需求加剧了电磁计算的困难6。靶标宽带电磁散射特性仿真必须克服雷达宽带信号多个频点和目标多姿态采样所带来计算量大的挑战7。其次,为了满足靶标特性计算精度的需求,含多次散射结构(靶场角反射器及其阵列、腔体等)在电磁建模过程中,需要计入三次及三次以上的电
11、磁高阶耦合作用,开展三次以上的高频射线追踪。这类多次的射线追踪过程极其复杂,计算非常耗时,导致靶标雷达特性预估面临计算效率低下的问题8。第三,含多次散射结构靶标涉及复杂多次电磁散射机理,对其宽带雷达特性形成机制的分析同样面临巨大挑战。多次散射形成的等效视在中心(距离像位置或者散射中心位置)往往偏离目标区域9,对多次散射机理和等效视在中心位置的分析,目前还缺乏有效的分析手段。为了提升电大尺寸复杂目标高频方法计算效率,研究者们采用加速算法和并行计算技术改进高频仿真过程中最耗时的射线追踪模块。Suk等人提出利用多分辨率网格算法减少射线管的数量从而减少计算量10;Glassner等人提出空间划分算法,
12、利用面元之间的空间关系,通过减少射线追踪过程中求交判断的次数来减少计算量11;随后KDTree和八叉树等算法在此基础上不断发展12;国内浙江大学团队利用GPU平台同时计算众多射线管,通过并行计算来提高计算效率1314。除了上述加速算法和GPU并行技术,CPU多核技术近年来迅猛发展,为并行电磁计算的发展创造了发展空间和条件1516。本文针对含多次散射复杂靶标雷达特性的快速计算难题,提出了一种 CPU 多核并行技术、GPU 硬件加速技术和 KDTree遍历技术相结合的靶标电磁散射加速计算方法。在此基础上,建立了带腔舰船、角反射器阵列与舰船等含多次散射复杂靶标的电磁散射(高频)模型,可以满足大型靶标
13、进行快速评估的需求。针对多次散射特性分析困难,本文进一步提出了多次散射距离像位置快速预测方法。通过多次散射射线分集结合射线路径相位理论预估,预测了多次散射等效视在中心的位置。将多次散射等效视在中心理论预估位置与高频仿真雷达特性进行比较,揭示了腔体等含多次散射结构复杂的多路径散射机理与作用过程。通过具体数值算例,建立了靶标多次散射雷达特性与其多次散射几何结构之间的映射关系。本文结构安排如下:首先针对靶标雷达特性仿真效率低下的问题,提出了基于三种计算机加速技术的靶标电磁散射高频建模加速方法。然后,针对多次散射特性分析困难,基于电磁场射线理论相位预估,发展了一种多次散射距离像位置快速预测方法。最后,
14、通过数值仿真和分析,表明了本文方法的有效性。1靶标电磁散射加速计算方法图 1 展示了传统的靶标雷达特性高频建模流程。,P1CAD4PM*-)?D44*3EC30FLLDFM(LD,4(SAR)4C.(HRRP)图1雷达目标特性获取流程图针对靶标建模对象,首先需要建立对应的高精度CAD模型,并将目标表面剖分为若干面元,后续根据目标的点面信息进行电磁计算。在对模型预处理之后,将目标散射贡献按照高频散射机理进行分解,可将复杂目标电磁散射贡献分解为边376黄巍浩:靶标雷达特性快速预测与分析2023 年第 4 期缘绕射场、面元散射及多次射线场等贡献之和。在给定计算姿态下,通过射线追踪确定电磁场的传播路径
15、,并结合物理光学法计算该姿态下的总射线场。进一步可结合时频变换获取宽带雷达特性数据,包括高分辨一维距离像数据以及合成孔径雷达二维图像数据。上述建模流程中,复杂多次射线追踪和大量的目标宽姿态宽频带采样是电磁计算耗时的两个主要原因。在射线追踪过程中,需要所有射线和所有面元两两进行照亮判断,此时的时间复杂度为O(N2),N为面元数量。针对电大尺寸复杂靶标高频区散射,N往往数以万计,此时要获取雷达宽带特性数据的计算代价是巨大的。尤其是当目标存在多次散射结构时,每一次反射点记录需要重复射线与面元两两判断的过程,成倍地增加了计算时间。考虑到射线追踪的过程中,各个射线之间的追踪互不相关,非常适合大规模并行计
16、算。本文通过 GPU 平台来对多次射线追踪进行加速。GPU上有大量的计算单元,在每个计算单元上创建线程进行射线的追踪运算,实现所有射线并行追踪的功能,此时射线追踪的时间复杂度降为O(N)。同时,利用目标各面元的空间位置关系,进一步引入KDTree数据结构,仅对射线与发射方向附近的面元进行求交测试,此时射线追踪的时间复杂度进一步下降到O(log2N)与O(N)之间。传统仿真串行地依次计算每一个姿态和频点下的回波数据,使得目标宽频带和宽姿态采样的计算非常耗时。考虑到各个姿态下的计算流程相同,且计算过程中的中间数据互不相关,本文采用功能更为强大的CPU来创建指定数量的多线程实现并行计算。由CPU创建
17、的每一个子线程在射线追踪环节都将访问GPU,之后继续在CPU端完成后续的射线场计算。而GPU作为计算过程中的共享资源,在被其中一个子线程访问时,需要阻止其他线程的访问。本文利用OpenMP编程模型来协调线程和管理共享资源,使得雷达目标多姿态并行计算顺利进行。如图2所示,通过OpenMP中的critical指导语句设立临界区,临界区内的内容同一时刻只能有一个线程访问,将访问GPU的代码块放置在临界区内,可以保证同一时刻只有一个线程在访问GPU,从而实现了共享资源的保护。41234GPU3EC3C13C23C33C4LD,RCS(*)(=)30303030图2多姿态并行计算模型在上述过程中,子线程
18、数量并非越多越好,需要确定合理的子线程数量。由于不同线程之间对共享资源GPU存在竞争关系,当创建一定数量的线程之后,GPU将达到满负载工作状态,整体效率不会再因为线程数量增多而增加。本文根据线程在GPU和CPU上运行的时间长短来创建合理数量的线程。如果把GPU端进行射线追踪的时间记为A,把CPU端后续射线场计算部分的时间记为B,那么最合理的线程数N可以由式(1)得到:N=1+BA(1)图3展示了两种不同情况的用时占比。第一种情况下,GPU上用时与CPU上用时相等,此时创建的最佳线程数为2。第二种情况下CPU上用时情况为GPU上的2倍,最佳线程数为3。两种情况下,GPU上线程运行状况如图4所示。
19、可以看出,此时GPU已经达到满负载工作,无法通过创建更多的线程来提高系统效率。GPU*CPU*3/13/23/33/13/212图3GPU用时不同占比的两种情况3/1GPUD=1GPUD=23/13/13/13/23/23/3图4两种情况下GPU运行情况2多次散射距离像位置预测方法本文提出了多次散射距离像位置快速预测方377雷达科学与技术第 21 卷 第 4 期法。通过多次散射射线分集结合射线路径相位理论预估,预测了多次散射等效视在中心的位置。针对复杂目标多次散射,本文通过射线追踪记录电磁波与目标相互作用的反射点,获取电磁波传播过程中的射线路径集合,计算每一条射线的光程。根据射线光程可以快速推
20、导多次散射等效视在中心的位置,即距离像位置或者散射中心位置。一维距离像峰值的射线理论预测值X可以按式(2)计算:X=L2-R(2)式中L为光程,R为目标参考系原点到雷达的距离。为了说明光程的计算过程及其物理含义,本文选取多次散射典型结构,以矩形腔体为例,进行具体的分析。当雷达入射方向与腔体横截面平行时,射线在一个平面内传播,此时可以清晰简洁地分析横截面上射线的传播路径,并给出峰值预测结果。以腔体口径面为界,将射线分为腔体内部射线以及腔体外部射线,然后分别计算光程。图5给出了腔体内部一条射线在口径面某一点入射,经四次反射后返回雷达的传播路径。DL3L1L4L3L4L2L5L1图5腔体内部射线追踪
21、情况按反射情况可以将腔体内部的射线分为5段,分别标记为L1,L2,L3,L4,L5。将L1,L3,L4段以腔内壁为轴翻转,根据几何反射原理,翻转后的L1,L2,L3在同一条直线上,L4,L5在同一条直线上,由此可以得到该射线长度为L=L1+L2+L3+L4+L5=(L1+L2+L3)+(L4+L5)=2D/cos(3)由式(3)可以看出,射线光程在腔体内的长度仅由入射角度和腔体深度D决定,与入射位置无关。所以对于在口径面其他点入射的射线,光程均相等。而当反射次数增加时,同样可以通过上述方式计算光程。图6用于说明如何计算腔体内外总的射线长度。为方便分析,如图建立二维坐标系,并将入射射线与口径面的
22、交点和出射射线与口径面的交点记为y1,y2,与雷达的距离记为a,b,则腔体外射线长度可记为a+b。根据几何关系,可以得到入射方向和反射方向平行,此时腔体外光程可以为y1y2中点到雷达距离的两倍,所以需要先求得y1y2中点。根据几何关系,有如下关系式:y1+m+H=Dtany2+n=Dtan(4)式中m,n为腔体底部被接触点分割的两部分,且二者之和为腔体底部长度H,可以求得(y1+y2)/2=Dtan-H(5)式(5)说明入射点与出射点的中点位置坐标仅受入射角度和腔体尺寸影响,从不同点入射的射线在腔体外的长度也相等。所以,针对矩形腔体,在同一入射姿态下形成的所有4次反射的射线路径光程相同,一维距
23、离像位置相同。LDDmHnxyy1y2ba图6自由空间中射线路径图图 7 是预测腔体目标一维距离像的示意图。A,B分别为射线入射时与口径面的交点以及反射378黄巍浩:靶标雷达特性快速预测与分析2023 年第 4 期时与口径面的交点在雷达径向方向的投影。O点为目标坐标系原点在雷达径向方向上的投影,记坐标原点与雷达之间的距离为R,OA,OB分别为O点和A,B点之间的距离,有R=a+OA=b+OB。一维距离像的峰值坐标可以由式(6)求出,其中OA+OB的值可以通过上文求出的y1y2中点和雷达间的距离求出。X=(a+b+L-2R)/2=(L-OA-OB)/2=(2D/cos-OA-OB)/2(6)LD
24、OABxyab图7自由空间中腔体目标成像示意图3靶标雷达特性仿真与分析三面角和腔体是靶标设计中常见的具有多次散射的典型结构,本节首先通过本文加速方法,获取三面角和矩形腔体两种结构的雷达特性。并将矩形腔体距离像射线理论预估位置与高频仿真距离像特性进行比较,两者吻合一致。进一步,针对带腔舰船、角反射器阵列与舰船复合目标开展了仿真与特性分析,仿真结果表明了本文方法的有效性。本文仿真环境如下:CPU型号为 Intel Corei79700,内存大小为16G,内含8核。GPU型号为NVIDIA GeForce GTX 1660Ti,显存大小为8 192 MB。3.1三面角三面角的几何模型如图 8 所示,
25、面元数为34 292,点数量为17 361。入射射线与z轴夹角记为俯仰角,入射射线在XOY平面上的投影与x轴夹角记为方位角。三面角雷达参数设置如下:角范围为090,角为45,频率为3 GHz,极化方向为垂直极化。xyz图8三面角模型图9是本文计算方法得到的RCS曲线和商用软件FEKO计算得到的RCS曲线对比图,商用软件FEKO 所 用 计 算 方 法 为 快 速 多 极 子 算 法(MLFMM),两种计算方法结果基本吻合。0102030405060708090/()RCS/dBsm-5051015202530MLFMM图9三面角RCS结果对比分别在无加速、利用GPU和KDTree数据结构加速射
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