本发明涉及电磁散射建模领域，特别涉及一种动态道路交会场景目标车辆散射建模方法。
背景技术：
日益增多的汽车等机动车辆，在为人们提供交通出行便利的同时，也潜藏了诸多安全隐患。因此从二十世纪六十年代开始，汽车防撞雷达得到了大量的研究。毫米波汽车防撞雷达目前研制过程中的一个突出问题就是虚警率过高，这已成为影响其大规模应用的主要原因之一。虚警产生的原因源于多种因素，从目标特性角度来说，主要是对于不同车道上的机动车辆、车道间的护拦、路旁的树木和各种标识牌等的后向电磁散射特性缺乏研究。目前针对汽车防撞雷达的目标车辆散射特性研究较少，并且基本上只是关注了机动车辆本身的静态电磁散射特性，没有考虑道路运动场景下车辆与道路复合散射问题。因此，现有技术方案的适用性受到很大限制，且虚警率过高。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种动态道路交会场景目标车辆散射建模方法，实现以动态道路交会场景的真实散射机理为基础，建立逼真的目标车辆散射模型，降低虚警率的目的。
为了实现以上目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种动态道路交会场景目标车辆散射建模方法，包含：
步骤s1、获取目标车辆的数字化模型。
步骤s2、以目标车辆数字化模型为输入，开展仿真，获取目标车辆的二维雷达像。
步骤s3、提取经仿真的所述目标车辆的二维雷达像中的目标车辆散射中心。
步骤s4、对所述目标车辆散射中心进行坐标系转换，以将所述目标车辆散射中心转换至目标车辆本体坐标系下。
步骤s5、对动态道路交会场景下的所述目标车辆与探测雷达的相对运动姿态进行分析，根据所述探测雷达相对所述目标车辆的指向，获取各个采样时刻下所对应的所述目标车辆的散射中心分布模型。
步骤s6、调用天线方向图信息对所述散射中心分布模型进行加权，得到所述目标车辆在行驶过程中，所述目标车辆的所有散射中心中随时间变化最强的散射中心的目标车辆散射中心序列。
优选地，所述目标车辆的数字化模型为用于电磁散射特性计算的目标车辆面元网格模型。
优选地，所述步骤s2包括：采用弹跳射线法和等效棱边流法对所述目标车辆的二维雷达像进行仿真。
优选地，所述步骤s3包括：基于经仿真的所述目标车辆的二维雷达像，采用clean算法对目标车辆散射中心进行提取。
优选地，所述步骤s3还包含：采用基尔霍夫方法或微扰法对路面背景的电磁散射特性进行分析，并采用所述clean算法提取路面背景的强散射点信息。
优选地，所述步骤s4包括：设提取到的所述目标车辆散射中心p在所述探测雷达的成像平面内的坐标为(rs,rc)，将其转换至所述目标车辆本体坐标系下，其坐标可以表示为：
式中，θ和
优选地，所述步骤s5包括：以所述目标车辆本体坐标系作为参考坐标系，将所述探测雷达在所述参考坐标系下的坐标转换到所述目标车辆本体坐标系下，转换公式如下：
式中：(xtr(t′)ytr(t′)ztr(t′))为采样时刻t′所述探测雷达在所述目标车辆本体坐标系下的坐标；(x1(t′)y1(t′)z1(t′))为采样时刻t′所述探测雷达在所述参考坐标系下的坐标；(x2(t′)y2(t′)z2(t′))为采样时刻t′所述目标车辆在所述参考坐标系下的坐标；λz、λy、λx为所述目标车辆相对参考坐标系z轴、y轴和x轴转动引起的旋转矩阵；
式中，θx、θy和θz分别表示所述目标车辆相对道路参考系的翻滚、俯仰向和方位向转动引起的目标车辆绕其自身坐标系x轴、y轴和z轴旋转的角度；
将所述探测雷达的位置坐标统一到所述目标车辆本体坐标系后，利用坐标关系确定每个采样时刻所述探测雷达视线相对于所述目标车辆本体坐标系的姿态角；
由于所述探测雷达与所述目标车辆之间的相对运动，所述探测雷达与所述目标车辆之间的距离r，俯仰角θ和方位角
式中：(xtr(t′),ytr(t′),ztr(t′))为当前时刻所述探测雷达统一到所述目标车辆本体坐标系后的三维位置；所述探测雷达到所述目标车辆的斜距r(t′)为：
优选地，所述步骤s6包括：根据矩阵运算规律，天线波束指向矢量在所述探测雷达的本体坐标系中所对应的矢量坐标为[xrsyrszrs]，则其在道路参考坐标下对应的矢量坐标为
式中，λz1-1、λy1-1、λx1-1为所述探测雷达的旋转矩阵的逆矩阵；将所述天线波束指向矢量从道路参考坐标系下转换到所述目标车辆本体坐标系下为：
式中，[xtsytszts]为所述天线波束指向矢量在所述目标车辆本体坐标系下的相对坐标；λz2、λy2、λx2为所述目标车辆相对道路参考坐标系z轴、y轴和x轴转动引起的旋转矩阵；
将所述天线波束的俯仰向和方位向指向矢量转换到所述目标车辆本体坐标系，以获得所述目标车辆散射点相对所述探测雷达波束的俯仰角和方位角，通过所述目标车辆散射中心相对所述探测雷达波束的俯仰角和方位角对所述天线方向图信息的插值，得到相应观测条件下该目标车辆散射中心的加权系数。
优选地，所述步骤s6还包含：根据雷达方程，所述探测雷达接收到的所述目标车辆的回波的功率表示如下：
式中，pt为发射机功率，g为收发共用天线增益，λ为波长，σ为被探目标雷达散射截面积，r为目标车辆与探测雷达距离，l为大气传输衰减等引起的损耗因子。
优选地，所述步骤s6还包含：获取在道路运动过程中的所述路面背景的散射中心分布序列，并与所述目标车辆散射中心序列一并作为输入。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
本发明提供了一种动态道路交会场景目标车辆散射建模方法，包含：步骤s1、获取目标车辆的数字化模型。步骤s2、以目标车辆数字化模型为输入，开展仿真，获取目标车辆的二维雷达像。步骤s3、提取经仿真的所述目标车辆的二维雷达像中的目标车辆散射中心。步骤s4、对所述目标车辆散射中心进行坐标系转换，以将所述目标车辆散射中心转换至目标车辆本体坐标系下。步骤s5、对动态道路交会场景下的所述目标车辆与探测雷达的相对运动姿态进行分析，根据所述探测雷达相对所述目标车辆的指向，获取各个采样时刻下所对应的所述目标车辆的散射中心分布模型。步骤s6、调用天线方向图信息对所述散射中心分布模型进行加权，得到所述目标车辆在行驶过程中，所述目标车辆的所有散射中心中随时间变化最强的散射中心的目标车辆散射中心序列。由此可知，本发明所提供的动态道路交会场景目标车辆散射建模方法以动态道路交会场景的真实散射机理为基础，能够建立逼真的目标车辆散射模型，即首先，在远场情况下对不同探测角度下的目标车辆的散射特性进行仿真，以获取目标车辆的二维雷达像与散射中心提取，获取目标车辆散射中心在空间的分布和rcs幅相信息(对应步骤s3和步骤s4，其中rcs幅相信息在步骤s3散射中心提取过程中即可获取)，且获取得到的所述rcs幅相信息作为最终散射中心能量排序的依据。其次读取道路运动场景下(动态道路交会场景下)探测器车辆与目标车辆之间随时间变化的相对位置序列(类似弹道信息仅是指在道路场景下探测雷达与目标车辆之间的相对位置关系随时间的变化情况，是步骤s5计算过程中的一个中间量)。对于每一时刻，计算探测的相对角度和距离等信息，并根据角度关系调用相应的散射点分布模型(对应于所述步骤s5的过程)。根据距离、探测雷达的天线方向图等对散射点分布模型进行处理(相当于根据调用天线方向图信息对所述散射中心分布模型进行加权)，并提取当前时刻下较强的散射点，从而获取运动过程中的强散射点分布序列(此过程相当于步骤s6)。获取的道路运动场景下车辆散射点模型数据(强散射点分布序列)，可提供给汽车防撞雷达，用于支撑其设计、研制等，由此进一步可知，本发明考虑了道路运动场景下车辆与道路背景复合散射的影响，降低了虚警率。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的一种动态道路交会场景目标车辆散射建模方法的流程图；
图2为本发明一实施例提供的目标车辆的数字化模型的示意图；
图3为图2所示的目标车辆的二维雷达像；
图4为基于图3所示的目标车辆的二维雷达像，提取到的目标车辆散射中心在所述二维雷达像中的分布示意图；
图5为基于图4所示的目标车辆散射中心经坐标转换后，目标车辆散射中心在目标车辆本体坐标系中的分布示意图；
图6为天线方向图；
图7为动态道路交会场景中并线接近道路行驶场景示意图；
图8a和图8b分别为并线接近道路行驶场景下，并线接近时，探测雷达相对目标车辆的斜距和方位角示意图；
图9为并线接近时，目标车辆散射中心中的三个最强散射点的幅度曲线示意图；
图10为并线行驶过程中，目标车辆散射中心中的三个最强散射点的三维坐标信息示意图。
具体实施方式
承如背景技术所述，现有技术针对汽车防撞雷达的目标车辆散射特性研究较少，并且基本上只是关注了机动车辆本身的静态电磁散射特性，没有考虑道路运动场景下车辆与道路复合散射问题。因此，导致现有技术方案的适用性受到很大限制，且虚警率过高。
研究发现：申请号为200710173289.7，发明名称为：电大复杂体目标与粗糙面背景复合电磁散射数值仿真方法的中国发明专利中提出了一种电大复杂体目标与粗糙面背景复合电磁散射数值仿真方法。该方法实质是通过建立复杂目标与粗糙面背景的几何模型，通过射线追踪对目标与背景组合体的电磁散射特性进行仿真，但该方法需要对整个场景进行射线追踪，计算比较耗时，且该专利中未对道路运动场景下目标散射特性分析方法进行说明。
申请号为201310512166.7，发明名称为基于互易性原理的粗糙面与目标复合电磁散射仿真方法的中国发明专利中提出了一种基于互易性原理的粗糙面与目标复合电磁散射仿真方法。该方法实质是分别利用基尔霍夫方法和互易性原理求解直接散射场和耦合散射场，通过矢量叠加获取目标与环境的总散射场，但该专利中未对道路运动场景下目标散射特性分析方法进行说明。
申请号为201210369967.8，发明名称为一种基于sbr与po技术的强散射中心计算方法的中国发明专利中提出了一种基于sbr与po技术的强散射中心计算方法。该方法实质是利用sbr和po方法对目标的强散射部位进行分析，但精度略低于成像分析方法，且该专利中未对道路运动场景下目标散射特性分析方法进行说明。
2010年《电波科学学报》杂志中公开的文献《radarsat-2全极化sar目标车辆典型方位特性分析》主要介绍了针对星载道路交通监测的需求，以目标rcs测量和极化分解两种技术相结合的目标特性分析方法，给出了卡车目标在顶视条件下的极化特性，研究的入射角范围与汽车防撞雷达的需求有很大不同。
2008年《ieeetransactionsonantennasandpropagation》发表的论文《extractionofvirtualscatteringcentersofvehiclesbyray-tracingsimulations》运用射线追踪的仿真方法分析了福特汽车的强散射点分布，并与微波暗室内测试测试结果进行了对比验证，研究结果可应用于汽车防撞雷达的目标分析，但也没有考虑道路运动场景下汽车与道路复合动态散射的问题。
通过上述研究可知，目前针对汽车防撞雷达的目标车辆散射特性研究较少，而且现有的研究主要是采用弹跳射线法等高频算法对目标车辆的散射特性进行仿真，或者通过微波暗室测试获取车辆的散射特性，基本上只是关注了机动车辆本身的静态电磁散射特性，没有考虑道路运动场景下车辆与道路复合散射问题。因此，现有技术方案的适用性受到很大限制，且虚警率较高。
探测器车辆是搭载探测雷达的车辆。在本文中探测器车辆仅是探测雷达的搭载平台，为不引起混淆，也可以将探测器车辆可以称之为探测雷达。目标车辆与目标车辆是指同一辆车，是指被所述探测雷达探测的车辆。
为了解决上述问题，本发明的核心思想在于提供一种动态道路交会场景目标车辆散射建模方法，包含：步骤s1、获取目标车辆的数字化模型。步骤s2、以目标车辆数字化模型为输入，开展仿真，获取目标车辆的二维雷达像。步骤s3、提取经仿真的所述目标车辆的二维雷达像中的目标车辆散射中心。步骤s4、对所述目标车辆散射中心进行坐标系转换，以将所述目标车辆散射中心转换至目标车辆本体坐标系下。步骤s5、对动态道路交会场景下的所述目标车辆与探测雷达的相对运动姿态进行分析，根据所述探测雷达相对所述目标车辆的指向，获取各个采样时刻下所对应的所述目标车辆的散射中心分布模型。步骤s6、调用天线方向图信息对所述散射中心分布模型进行加权，得到所述目标车辆在行驶过程中，所述目标车辆的所有散射中心中随时间变化最强的散射中心的目标车辆散射中心序列。由此可知，本发明所提供的动态道路交会场景目标车辆散射建模方法以动态道路交会场景的真实散射机理为基础，能够建立逼真的目标车辆散射模型，降低虚警率。
下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
结合图1～图10所示，本实施例提供的一种动态道路交会场景目标车辆散射建模方法，包含：
步骤s1、获取目标车辆的数字化模型。优选地，所述目标车辆的数字化模型为用于电磁散射特性计算的目标车辆面元网格模型。具体的，建立目标车辆的数字化模型，运用网格划分专用软件(此软件可以为现有技术中常用的具有相关功能的软件，在此不再赘述)对目标按不同大小划分网格，建立用于电磁散射特性计算的目标车辆面元网格模型。如图2所示，在本实施例中，选取一辆常规的车辆模型，车辆长度为4.57m，宽度1.96m，高度1.3m。
步骤s2、以目标车辆数字化模型为输入，开展仿真，获取目标车辆的二维雷达像。优选地，在本实施例中，采用弹跳射线法和等效棱边流法以目标车辆数字化模型为输入，开展仿真，获取目标车辆的二维雷达像。即利用弹跳射线法和等效棱边流法等高频电磁散射建模方法在远场情况下获得不同探测角度下的目标车辆的二维雷达像，即获得的二维雷达像为多个，每个观测角度下即对应一幅二维雷达像(二维雷达图像)。具体的，在本实施例中，远场是指目标车辆与探测雷达所处距离满足探测的远场条件，即探测雷达发射电磁波入射到目标区域时，可以近似为平面波。在本实施例中，主要是对方位角进行扫描，以5°为间隔，获取了目标车辆在0°-180°之间共计37幅雷达图像(二维雷达像)。为了提高汽车rcs的计算速度和精度，采用弹跳射线法(sbr)与边缘绕射(eec)相结合的方法对汽车(目标车辆)的rcs进行了计算。弹跳射线法(sbr)是一种通用、高效且精度很高的电磁散射计算方法，其混合使用go与po，特别适合于计算目标车辆间的多次反射造成的耦合问题。弹跳射线法主要用于求解汽车中各个部件的镜面散射分量和多次反射分量。等效棱边流法(equivalentedgecurrent，eec)利用目标棱边处的感应电流来等效棱边本身对于散射场的贡献，可以快速精确求解棱边绕射对总散射场的贡献。在实施例中等效棱边流方法用来对汽车各部件棱边的贡献进行计算。
根据等效电流物理绕射理论，边缘绕射场计算的核心公式为
其中ln为第n段小尖劈边缘的长度，rn为其中心的位置矢量，
通过弹跳射线法和等效棱边流法可以实现对汽车(目标车辆)的二维雷达像的仿真。
仿真效果如图3所示，在本实施例中，采用的仿真参数为频率f＝23.75～24.25ghz，扫频步长δf＝0.0125ghz，俯仰角θ＝90°，方位角
步骤s3、提取经仿真的所述目标车辆的二维雷达像中的目标车辆散射中心。优选地，在本实施例中，基于经仿真的所述目标车辆的二维雷达像，采用clean算法对目标车辆散射中心进行提取。
基于目标车辆在各个观测角度下的二维雷达像，采用clean算法实现对目标散射中心的提取。clean算法是一种迭代算法，算法过程为查找像中幅度最大点位置，并将该点作为目标强散射中心f(r(n),φ(n))，然后用原像
式中：
n——迭代次数；
f(r(n),φ(n))——强散射中心；
(r(n),φ(n))——相应的散射中心点位置。
式(2)表明第(n 1)次迭代的图像残差等于第n次图像残差减去第n次图像残差中最强点的点散射函数。
经过n次迭代后，像域中最大散射点幅度小于要求的门限，此时目标剩余散射中心能量很小，对目标车辆整体rcs贡献不大，认为目标车辆的散射中心已经被提取完毕。
具体的，提取结果如图4所示，在本实施例中，利用clean算法对目标车辆的散射点(散射中心)进行了提取所获得的结果，每幅二维雷达像(在仿真时，是对不同姿态角下的二维雷达像分别进行仿真，所以可以获取多个角度下的多幅二维雷达像。在本实施例中，主要是对方位角进行扫描，以5°为间隔，获取了目标车辆在0°-180°之间共计37幅二维雷达图像。)中提取的目标车辆(车辆目标)的散射中心的数目nsc＝20，图4中十字星标志即为提取得到的目标车辆的强散射中心。由于车辆目标的散射中心有很多个，在本实施例中，我们只保留(只关注)强度比较高的20个，就叫强散射中心。
优选地，在本实施例中，所述步骤s3还包含：采用基尔霍夫方法或微扰法对路面背景的电磁散射特性进行分析，并采用所述clean算法提取路面背景的强散射点信息。本实施例中提出的方法不仅适用于目标车辆，也适用于路面背景。对于地面，可以利用同样的方法获取在道路运动过程中的道路的散射中心分布序列，与所述目标车辆散射中心序列一并作为输入，支撑车辆防撞雷达的设计、研制。
具体的，对于路面背景，现在城市大量采用沥青路面，假定沥青粗糙面的均方根高度为0.18cm，相关长度1.56cm，介电常数(8.0，-0.1)。通过基尔霍夫方法或微扰法可对路面的电磁散射特性进行分析，利用与目标车辆相似的分析方法，可以提取路面背景的强散射点信息。
步骤s4、对所述目标车辆散射中心进行坐标系转换，以将所述目标车辆散射中心转换至目标车辆本体坐标系下。
根据clean算法提取到的目标车辆的散射中心是目标车辆的强散射点在雷达(探测雷达)成像平面上的投影，其横纵坐标分别对应强散射点的方位向(即横向)距离和径向(即斜距向)距离。为了获取目标车辆本体参考坐标系下散射中心的位置，需要根据成像时相应的目标姿态进行坐标转换。
设提取到的所述目标车辆散射中心p在所述探测雷达的成像平面内的坐标为(rs,rc)，将其转换至所述目标车辆本体坐标系下，其坐标可以表示为：
式中，θ和
在本实施例中，其转换效果如图5所示，图5为将图4中所示散射中心从雷达成像平面转换到目标车辆本体坐标系中的结果，图5中位于车尾的实心圆点即为强散射中心分布。
在步骤s4中获取的目标车辆散射点分布模型是静态的，即对于不同的俯仰角和方位角，目标车辆表现为不同的散射点分布模型。在如下的所述s5步骤中，通过分析整个道路运动场景中探测雷达相对目标车辆观测角度变化，对于每个时间步长，根据该时刻目标车辆相对雷达的观测角度，调用相应的静态散射点分布模型，如此可以获取整个运动过程中的一个散射点分布的时间序列。
步骤s5、对动态道路交会场景下的所述目标车辆与探测雷达的相对运动姿态进行分析，根据所述探测雷达相对所述目标车辆的指向，获取各个采样时刻下所对应的所述目标车辆的散射中心分布模型。
具体的，为对目标车辆(目标车辆)的散射特性(rcs)进行分析，以所述目标车辆本体坐标系作为参考坐标系，将所述探测雷达在所述参考坐标系下的坐标转换到所述目标车辆本体坐标系下，转换公式如下：
式中：(xtr(t′)ytr(t′)ztr(t′))为采样时刻t′所述探测雷达在所述目标车辆本体坐标系下的坐标；(x1(t′)y1(t′)z1(t′))为采样时刻t′所述探测雷达在所述参考坐标系下的坐标；(x2(t′)y2(t′)z2(t′))为采样时刻t′所述目标车辆在所述参考坐标系下的坐标；λz、λy、λx为所述目标车辆相对参考坐标系z轴、y轴和x轴转动引起的旋转矩阵；
式中，θx、θy和θz分别表示所述目标车辆相对道路参考系的翻滚、俯仰向和方位向转动引起的目标车辆绕其自身坐标系x轴、y轴和z轴旋转的角度；
将所述探测雷达的位置坐标统一到所述目标车辆本体坐标系后，利用坐标关系确定每个采样时刻所述探测雷达视线(los)相对于所述目标车辆本体坐标系的姿态角；
由于所述探测雷达与所述目标车辆之间的相对运动，所述探测雷达与所述目标车辆之间的距离r，俯仰角θ和方位角
式中：(xtr(t′),ytr(t′),ztr(t′))为当前时刻所述探测雷达统一到所述目标车辆本体坐标系后的三维位置；所述探测雷达到所述目标车辆的斜距r(t′)为：
步骤s6、调用天线方向图信息对所述散射中心分布模型进行加权，得到所述目标车辆在行驶过程中，所述目标车辆的所有散射中心中随时间变化最强的散射中心的目标车辆散射中心序列。
具体的，汽车防撞雷达为了减小地面散射的干扰，其天线波束呈扁平状态，在方位向很宽，而在俯仰向很窄。而且针对不同的应用场景，其波束宽度也不同，某些雷达其波束方位向宽度能达到上百度。而且在道路交会场景中，不仅被测目标车辆存在六自由度的运动，作为探测雷达搭载平台的车辆也存在复杂的运动，而雷达平台的运动则导致波束指向的变化。为分析道路交会场景中，目标车辆散射中心相对于天线波束指向的俯仰角和方位角，需将天线波束指向矢量、以及其相关的俯仰向和方位向指向矢量(即探测雷达本体坐标系中的三个坐标轴矢量)转换到目标车辆本体坐标系中。探测雷达的天线波束指向沿探测雷达本体坐标系ot1xt1yt1zt1中的xt1，其矢量为[100]，相应的方位向和俯仰向指向矢量分别为[010]和[001]。为了求解目标车辆散射中心相对探测雷达的天线波束指向的俯仰向和方位向夹角，可将天线波束指向矢量及俯仰向和方位向指向矢量首先由ot1xt1yt1zt1探测雷达本体坐标系转换到道路场景参考坐标系oxyz，并根据式(5)中的坐标转换矩阵，将其转换到目标车辆本体坐标系ot2xt2yt2zt2下。
进一步的，根据矩阵运算规律，天线波束指向矢量在所述探测雷达的本体坐标系中所对应的矢量坐标为[xrsyrszrs]，则其在道路参考坐标下对应的矢量坐标为
式中，λz1-1、λy1-1、λx1-1为所述探测雷达的旋转矩阵的逆矩阵；将所述天线波束指向矢量从道路参考坐标系下转换到所述目标车辆本体坐标系下为：
式中，[xtsytszts]为所述天线波束指向矢量在所述目标车辆本体坐标系下的相对坐标；λz2、λy2、λx2为所述目标车辆相对道路参考坐标系z轴、y轴和x轴转动引起的旋转矩阵；
将所述天线波束的俯仰向和方位向指向矢量转换到所述目标车辆本体坐标系，以获得所述目标车辆散射点相对所述探测雷达波束的俯仰角和方位角，通过所述目标车辆散射中心相对所述探测雷达波束的俯仰角和方位角对所述天线方向图信息的插值，得到相应观测条件下该目标车辆散射中心的加权系数。
进一步的，利用相同方法可将天线波束的俯仰向和方位向指向矢量转换到目标车辆本体坐标系。据此，可以获得目标车辆散射点(散射中心)相对探测雷达的天线波束的俯仰角和方位角，通过其对天线方向图插值，可以求得相应观测条件下(观测角度下)该散射中心的加权系数。
此外，在散射中心能量排序时，需要考虑距离加权因素对散射中心幅度的影响，而在最后导出散射中心时，需将该距离影响再次滤除。
根据雷达方程(11)，雷达接收到的目标回波功率可以表示为
式中，pt为发射机功率，g为收发共用天线增益，λ为波长，σ为被探目标雷达(目标车辆上的雷达)散射截面积，r为目标与探测雷达距离，l为大气传输衰减等引起的损耗因子。
雷达方程是雷达信号处理领域的基本知识，在此不再赘述。在本实施例引用雷达方程仅是为了说明，雷达接收的能量，与距离的四次方成反比。因此，在散射中心能量排序中，需要考虑距离的影响，即采用σ/r4作为标准。
根据式(6)，为了获取对探测雷达接收回波贡献最大的强散射中心，在对散射中心能量进行排序时，需要考虑距离的影响，即采用σ/r4作为标准。在完成排序后，将经过排序的散射中心强度σ及对应坐标导出。
优选地，所述步骤s6还包含：获取在道路运动过程中的所述路面背景的散射中心分布序列，并与所述目标车辆散射中心序列一并作为输入。具体的，对于地面，可以利用同样的方法获取在道路运动过程中的散射中心分布序列，与目标车辆散射中心序列一并作为输入，支撑车辆防撞雷达的设计、研制。具体的，由于上述方法不仅适用于目标车辆，也适用于路面背景。对于地面，可以利用同样的方法获取在道路运动过程中的路面背景(地面或道路)的散射中心分布序列，与所述目标车辆散射中心序列一并作为输入，支撑车辆防撞雷达的设计、研制。在同时输入车辆与路面的散射点序列时，可以实现对更真实情况下道路场景散射特性的模拟。
如图6所示，其为所选取的典型防撞雷达天线方向图，该天线方位向波束宽度为20°(即-10°～10°)，而在俯仰向的波束宽度为6°，在道路场景下，针对每一时刻所获取的目标车辆散射特性，需用该天线方向图进行加权处理。如7所示，其为并线接近道路行驶场景，该场景中雷达初始六自由度坐标为(0m,0m,0.65m,0°,0°,0°)，目标车辆(目标车辆)初始坐标为(300m,4m,0.65m,0°,0°,180°)，探测雷达速度为(10m/s，0，0，0，0，0)，目标车辆速度为(-10m/s，0，0，0，0，0)，时间t＝0s～15s，时间采样步长0.001s。如图8a和8b所示，其分别为在上述并线接近道路行驶场景中，目标车辆本体坐标系中，探测雷达相对目标车辆的斜距和方位角，由图可见，在时间t＝15s时，两车(装有探测雷达的车辆，和装有探测雷达的被测车辆)之间斜距最短，仅为4m，此时两车在相邻车道擦肩而过，随着两车距离的拉近，探测雷达相对目标车辆的方位角从0°(前向)急剧上升到90°(侧向)。图9为针对上述并线接近道路行驶状态，根据探测雷达相对目标车辆的指向，调用天线方向图信息对散射点分布模型进行加权，从而获取的行驶过程中随时间变化的最强的三个散射点幅度变化规律。由图9可见，在时间接近15s时，由于目标车辆已行驶到雷达侧方，超出雷达天线方向图波束宽度，因此散射特性急剧下降。如图10所示，其为上述行驶过程中，最强的散射点在目标本体坐标系中的位置变化规律。
综上所述，本发明提供了一种动态道路交会场景目标车辆散射建模方法，包含：步骤s1、获取目标车辆的数字化模型。步骤s2、以目标车辆数字化模型为输入，开展仿真，获取目标车辆的二维雷达像。步骤s3、提取经仿真的所述目标车辆的二维雷达像中的目标车辆散射中心。步骤s4、对所述目标车辆散射中心进行坐标系转换，以将所述目标车辆散射中心转换至目标车辆本体坐标系下。步骤s5、对动态道路交会场景下的所述目标车辆与探测雷达的相对运动姿态进行分析，根据所述探测雷达相对所述目标车辆的指向，获取各个采样时刻下所对应的所述目标车辆的散射中心分布模型。步骤s6、调用天线方向图信息对所述散射中心分布模型进行加权，得到所述目标车辆在行驶过程中，所述目标车辆的所有散射中心中随时间变化最强的散射中心的目标车辆散射中心序列。由此可知，本发明所提供的动态道路交会场景目标车辆散射建模方法以动态道路交会场景的真实散射机理为基础，能够建立逼真的目标车辆散射模型，即首先，在远场情况下对不同探测角度下的目标车辆的散射特性进行仿真，以获取目标车辆的二维雷达像与散射中心提取，获取目标车辆散射中心在空间的分布和rcs幅相信息(对应步骤s3和步骤s4，其中rcs幅相信息在步骤s3散射中心提取过程中即可获取)，且获取得到的所述rcs幅相信息作为最终散射中心能量排序的依据。其次读取道路运动场景下(动态道路交会场景下)探测器车辆与目标车辆之间随时间变化的相对位置序列(类似弹道信息仅是指在道路场景下探测雷达与目标车辆之间的相对位置关系随时间的变化情况，是步骤s5计算过程中的一个中间量)。对于每一时刻，计算探测的相对角度和距离等信息，并根据角度关系调用相应的散射点分布模型(对应于所述步骤s5的过程)。根据距离、探测雷达的天线方向图等对散射点分布模型进行处理(相当于根据调用天线方向图信息对所述散射中心分布模型进行加权)，并提取当前时刻下较强的散射点，从而获取运动过程中的强散射点分布序列(此过程相当于步骤s6)。获取的道路运动场景下车辆散射点模型数据(强散射点分布序列)，可提供给汽车防撞雷达，用于支撑其设计、研制等，由此进一步可知，本发明考虑了道路运动场景下车辆与道路背景复合散射的影响，降低了虚警率。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
1.一种动态道路交会场景目标车辆散射建模方法，其特征在于，包含：
步骤s1、获取目标车辆的数字化模型；
步骤s2、以目标车辆数字化模型为输入，开展仿真，获取目标车辆的二维雷达像；
步骤s3、提取经仿真的所述目标车辆的二维雷达像中的目标车辆散射中心；
步骤s4、对所述目标车辆散射中心进行坐标系转换，以将所述目标车辆散射中心转换至目标车辆本体坐标系下；
步骤s5、对动态道路交会场景下的所述目标车辆与探测雷达的相对运动姿态进行分析，根据所述探测雷达相对所述目标车辆的指向，获取各个采样时刻下所对应的所述目标车辆的散射中心分布模型；
步骤s6、调用天线方向图信息对所述散射中心分布模型进行加权，得到所述目标车辆在行驶过程中，所述目标车辆的所有散射中心中随时间变化最强的散射中心的目标车辆散射中心序列。
2.如权利要求1所述的动态道路交会场景目标车辆散射建模方法，其特征在于，所述目标车辆的数字化模型为用于电磁散射特性计算的目标车辆面元网格模型。
3.如权利要求2所述的动态道路交会场景目标车辆散射建模方法，其特征在于，所述步骤s2包括：采用弹跳射线法和等效棱边流法对所述目标车辆的二维雷达像进行仿真。
4.如权利要求3所述的动态道路交会场景目标车辆散射建模方法，其特征在于，所述步骤s3包括：基于经仿真的所述目标车辆的二维雷达像，采用clean算法对目标车辆散射中心进行提取。
5.如权利要求4所述的动态道路交会场景目标车辆散射建模方法，其特征在于，所述步骤s3还包含：采用基尔霍夫方法或微扰法对路面背景的电磁散射特性进行分析，并采用所述clean算法提取路面背景的强散射点信息。
6.如权利要求5所述的动态道路交会场景目标车辆散射建模方法，其特征在于，所述步骤s4包括：设提取到的所述目标车辆散射中心p在所述探测雷达的成像平面内的坐标为(rs,rc)，将其转换至所述目标车辆本体坐标系下，其坐标可以表示为：
式中，θ和
7.如权利要求6所述的动态道路交会场景目标车辆散射建模方法，其特征在于，所述步骤s5包括：以所述目标车辆本体坐标系作为参考坐标系，将所述探测雷达在所述参考坐标系下的坐标转换到所述目标车辆本体坐标系下，转换公式如下：
式中：(xtr(t′)ytr(t′)ztr(t′))为采样时刻t′所述探测雷达在所述目标车辆本体坐标系下的坐标；(x1(t′)y1(t′)z1(t′))为采样时刻t′所述探测雷达在所述参考坐标系下的坐标；(x2(t′)y2(t′)z2(t′))为采样时刻t′所述目标车辆在所述参考坐标系下的坐标；λz、λy、λx为所述目标车辆相对参考坐标系z轴、y轴和x轴转动引起的旋转矩阵；
式中，θx、θy和θz分别表示所述目标车辆相对道路参考系的翻滚、俯仰向和方位向转动引起的目标车辆绕其自身坐标系x轴、y轴和z轴旋转的角度；
将所述探测雷达的位置坐标统一到所述目标车辆本体坐标系后，利用坐标关系确定每个采样时刻所述探测雷达视线相对于所述目标车辆本体坐标系的姿态角；
由于所述探测雷达与所述目标车辆之间的相对运动，所述探测雷达与所述目标车辆之间的距离r，俯仰角θ和方位角
式中：(xtr(t′),ytr(t′),ztr(t′))为当前时刻所述探测雷达统一到所述目标车辆本体坐标系后的三维位置；所述探测雷达到所述目标车辆的斜距r(t′)为：
8.如权利要求7所述的动态道路交会场景目标车辆散射建模方法，其特征在于，所述步骤s6包括：根据矩阵运算规律，天线波束指向矢量在所述探测雷达的本体坐标系中所对应的矢量坐标为[xrsyrszrs]，则其在道路参考坐标下对应的矢量坐标为
式中，λz1-1、λy1-1、λx1-1为所述探测雷达的旋转矩阵的逆矩阵；将所述天线波束指向矢量从道路参考坐标系下转换到所述目标车辆本体坐标系下为：
式中，[xtsytszts]为所述天线波束指向矢量在所述目标车辆本体坐标系下的相对坐标；λz2、λy2、λx2为所述目标车辆相对道路参考坐标系z轴、y轴和x轴转动引起的旋转矩阵；
将所述天线波束的俯仰向和方位向指向矢量转换到所述目标车辆本体坐标系，以获得所述目标车辆散射点相对所述探测雷达波束的俯仰角和方位角，通过所述目标车辆散射中心相对所述探测雷达波束的俯仰角和方位角对所述天线方向图信息的插值，得到相应观测条件下该目标车辆散射中心的加权系数。
9.如权利要求8所述的动态道路交会场景目标车辆散射建模方法，其特征在于，所述步骤s6还包含：
根据雷达方程，所述探测雷达接收到的所述目标车辆的回波的功率表示如下：
式中，pt为发射机功率，g为收发共用天线增益，λ为波长，σ为被探目标雷达散射截面积，r为目标车辆与探测雷达距离，l为大气传输衰减等引起的损耗因子。
10.如权利要求9所述的动态道路交会场景目标车辆散射建模方法，其特征在于，所述步骤s6还包含：获取在道路运动过程中的所述路面背景的散射中心分布序列，并与所述目标车辆散射中心序列一并作为输入。
技术总结