基于Feko&三维几何模型的ISAR数据仿真全解析

缘起ISAR

• SAR与ISAR

逆合成孔径雷达 (Inverse Synthetic Aperture Radar, ISAR)是一种可以获取目标图像的雷达，它自合成孔径雷达 (Synthetic Aperture Radar, SAR)发展而来。SAR是一种可获取目标图像的雷达，常用于军事领域，如探测敌方的军用基地、坦克等目标；SAR具备多种工作模式，这些模式中均是雷达载体 (如飞机，卫星)在运动，对静止的地面或海面目标成像。ISAR与SAR的主要区别在于，前者要求雷达载体静止不动而目标运动，作为一种主动发射和接收电磁波的雷达，它相比RGB相机有着不受天气、昼夜影响的优良特性，在军事领域有着广泛的应用前景。

由于ISAR的主战场在军事领域，获取数据成了一大难题。因此，通过ISAR仿真技术获取目标的回波数据成为解决难题的重要途径。ISAR图像的物理意义，就是目标在成像平面上散射中心的分布。通过对目标建立精确的几何模型，然后用计算电磁学的方法即可计算不同角度、频率等条件下的散射场，进而得到目标的散射系数。在得到目标的散射系数和ISAR发射的信号模型之后，就能得到ISAR回波数据，最后根据ISAR成像算法得到目标的ISAR图像。

• 三维几何模型和散射场

要想通过仿真的方法得到目标的ISAR图像，就需要对目标进行精准的三维建模，并在此基础上计算该模型的散射场/雷达散射截面 (Radar Cross Section, RCS是当目标被电磁波照射时的有效回波面积，也就是在雷达接收机方向目标反射电磁波的能力)。考虑到目标三维结构的复杂性，通常将其剖分成平面三角网格 (面元)后对其做遮挡判断，然后逐一计算其散射场，最后将每个面元的散射场矢量求和得到结果，此即物理光学法 (Physical Optics)的计算过程。

在实际操作中，我们可以直接从网上下载制作好的3D模型用于实验；RCS的计算可以通过仿真软件Altair Feko 实现。

具体流程

1. 参照Feko官网上的ISAR图像生成demo，确认流程包含两大步骤：

• 将3D模型转化成RCS数据格式
• 根据RCS数据格式制作ISAR图像

2. 搜集3D模型：根据Feko user guide的提示，CADFEKO支持导入两类3D模型：geometry和mesh，geometry和mesh支持导入的3D模型格式分别如下表1和表2所示：

我由此在网上选择了LAK-11的geometry模型(.step格式)试手：

3. 在CADFEKO中导入3D模型，依照demo和user guide的指导，设置Frequency：

设置Plane Wave Source：

设置Far Field：

然后用Union和Stitch把geometry model合并成一个。

TIP：这里不一定是直接把整个模型合并成一个union/stitch，如果3D模型本身存在一些几何冲突/重叠，可以先把它划分成几部分不会产生几何问题的模块。

4. 设置model extent:

简化模型几何结构 (Transform-->Simplify & Transform-->Repair)。

设置mesh：

然后对各个部件生成mesh，效果如下图所示：

然后去除mesh中的冗余部分 (Mesh-->Repair & Delete)。

设置Solver settings:

运行solver。

这里让solver不报错，有几个要点：

• 去掉geometry & mesh中的几何结构问题，避免triangle发生冲突
• 设置合适的frequency & extent & mesh size，避免triangle面积过大/过小，也应注意避免计算时间过长/内存不够用的问题

5. 把CADFEKO的结果导入POSTFEKO，然后运行demo中的lua脚本生成ISAR图像，如下图所示：

参考文献

[1]谭小龙，逆合成孔径雷达图像仿真与目标识别技术研究[D]，合肥：安徽大学，2020.

[2]Altair Engineering Inc., "Altair Feko 2020 User Guide"[Z].