CN101281249A - 一种高分辨率合成孔径雷达的目标散射特性建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高分辨率合成孔径雷达的目标散射特性建模方法，采用了GRECO原理和雷达建模仿真成像技术相结合的方法。首先利用GRECO原理分析目标模型的散射特性，生成目标在屏幕坐标系下的三维电磁散射模型，然后通过坐标转换将该散射模型转换为在场景坐标系中三维散射场景，再利用机载SAR回波仿真模型对该三维场景目标进行回波仿真，经成像处理后生成目标在不同姿态下的高分辨率RCS雷达图像。为获取军事目标高分辨率雷达图像提供了一种有效的途径，丰富了自动目标识别研究雷达图像数据源的目标样本，对提高制导武器的识别精度研究有着重要的意义。

Description

一种高分辨率合成孔径雷达的目标散射特性建模方法

技术领域

本发明属于雷达图像处理领域，具体涉及一种利用计算机图形电磁学(GRECO)原理和雷达建模仿真成像技术来对高分辨率合成孔径雷达(SAR)目标进行RCS散射特性建模的方法。

背景技术

GRECO(Graphic Electromagnetic Computing)技术是1993年西班牙人Rius等人提出的一种计算雷达散射截面(RCS)的方法。目前被广泛地应用于高频条件下分析复杂目标的散射特性。它充分地利用了计算机硬件对图形处理的优势，由图形加速卡完成最困难、最费时的光照遮挡和消隐工作。不仅能准确的模拟目标的散射特性，还具有存储量小、运算速度快、实时性好的特点。

GRECO原理图如图-1所示，首先利用OpenGL API函数将目标的3DMax模型读入创建的OpenGL视口，设置目标模型的姿态、光照模型和目标模型的材质特性，将目标在屏幕上显示出来。读取屏幕上像素点的颜色分量和深度缓存，确定散射面元的法矢量，通过高频近似计算理论中的物理光学计算方法得到目标每个散射点的RCS值。

合成孔径雷达问世以来就成为人类对周围环境进行探测的重要工具。随着SAR分辨率的不断提高，自动目标识别(Automatic Target Recognition，简称ATR)得到迅速的发展，ATR是指从雷达回波中提取目标的有关信息标志和稳定特征并判明目标属性的一门技术。现代战争对武器的智能化要求越来越高，如何提高制导武器打击的精度成为众多国家研究的热点。在这种背景下，ATR技术受到了人们的高度重视，提高武器的对目标识别的准确度是ATR研究的关键。

要提高制导武器对目标识别的准确度，就要求有高分辨率的雷达图像作为ATR研究的数据源，目前ATR技术中对目标检索方法主要有基于模板和基于模型两种方法，这两种方法都要求样本库中具有大量高精度的目标样本资源，而军事目标的雷达图像样本往往是比较难以获得的，尤其是高分辨率的雷达图像，这很大程度上制约了ATR的研究。目前国内大多采用美国DARPA/AFRL MSTAR工作组提供的实测SAR地面静止目标数据作为ATR研究的雷达数据源，但其中目标较为单一，分辨率较低，很难满足高分辨率SAR ATR研究的要求。所以如何获取军事目标的高分辨率的雷达图像对ATR研究具有相当重要的意义。

发明内容

本发明提供一种高分辨率合成孔径雷达的目标建模方法，采用了GRECO建模和雷达建模仿真成像技术相结合的方法，生成了高分辨率SAR的典型军事目标在不同雷达视角和姿态角下雷达图像，为获取军事目标高分辨率雷达图像提供了一种有效的途径，丰富了ATR研究雷达图像数据源的目标样本，对提高制导武器的识别精度有着重要的意义。

一种高分辨率合成孔径雷达的目标建模方法，包括如下步骤：

步骤1：获取典型军事目标的3DS格式的模型数据文件，并读入建模计算机。

步骤2：将目标的3DS格式的模型读入到OpenGL视口，设置目标模型的姿态、OpenGL光照模型和模型的材质特性，将目标模型在OpenGL视口中显示出来。

步骤3：通过读取OpenGL视口上像素点的颜色分量来确定像素点所对应散射面元的法矢量，进而确定光照入射方向和散射面元法矢量之间的夹角；读取像素点的深度缓存值来确定像素点对应的散射面元到OpenGL视口平面的距离，结合雷达发射波参数和像素点的单位线度，计算每个散射点的RCS值。由每个像素点对应的散射点在屏幕坐标系下的三维坐标和RCS值，可生成该目标模型在屏幕坐标系下的具有雷达散射特性的三维电磁散射模型。

步骤4：设置场景坐标系中的X-Y平面为地球表面，垂直于地球表面向上为Z的正方向；屏幕坐标系x轴方向为屏幕上的水平向右方向，y方向为屏幕上竖直向上，z方向为垂直屏幕向外；设模型在OpenGL视口中沿屏幕坐标系的x轴旋转角度θ，再沿模型坐标系z轴旋转角度α，则场景坐标系由屏幕坐标系绕x轴旋转θ得到，将每个散射点在屏幕坐标系下的三维坐标转为在场景坐标系中的三维坐标，得到模拟真实目标的三维散射场景。

步骤5：设置真实的机载雷达参数，建立高分辨率机载SAR回波仿真模型，对目标场景进行仿真成像，生成目标不同雷达视角和目标姿态角下的高分辨率RCS雷达图像。

所述步骤3中，由像素点在OpenGL视口平面上的相对位置和像素点的单位线度相乘构成每个散射点的X-Y坐标，将像素点的深度缓存值与像素点的单位线度相乘构成散射点的Z坐标，由X-Y坐标和Z坐标可生成该像素点对应的散射点在屏幕坐标系下的三维坐标。

所述步骤3中，利用高频近似计算理论中的物理光学计算理论计算每个散射点的RCS值，并结合散射点的三维坐标生成了目标具有雷达散射特性的三维电磁散射模型。

所述步骤5中，仿真成像时，所选用的雷达视角为模型在OpenGL视口中绕屏幕坐标系的X轴的旋转角，目标在地面上的姿态角为模型绕模型坐标系的Z轴的旋转角。

通过以上方法来实现高分辨率SAR目标建模有如下优势：

(1)利用计算机仿真比实测得到目标的RCS雷达图像数据更为快捷，成本更低；

(2)利用计算机完成了费时的光照的遮挡工作，运算速度较快、计算量较小；

(3)通过改变模型的姿态就可生成不同雷达视角和姿态角下得雷达图像，具有很好的实时性和较大的灵活性；

(4)生成目标的RCS雷达图像具有很高的分辨率。

附图说明

图1是GRECO原理图；

图2是本发明基于雷达目标散射特性建模的整体框架图；

图3是本发明利用GRECO进行目标RCS建模具体实施的流程图；

图4是本发明屏幕坐标系和模型坐标系重合时的关系图；

图5是本发明在有一定旋转角情况下屏幕坐标系和模型坐标系之间的关系图；

图6是本发明利用雷达建模仿真成像的流程图；

图7是本发明中模型坐标系、屏幕坐标系和场景坐标系之间的关系图；

图8是本发明生成的战斗机的RCS雷达图像。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本实施例结合附图说明，详细阐述利用GRECO原理和雷达仿真成像技术来对高分辨率SAR目标进行散射特性建模的具体实施方案，整个过程的框架图如图2，大致可分为五个步骤来说明：

前三步是对目标模型进行RCS散射特性建模的过程，该过程可用图3来表示。下面结合图3对该过程进行详细地说明。

第一步：获取目标战斗机3DS格式的模型数据文件。用Autodesk 3ds Max8.0为目标战斗机建模，3DS格式文件是3DMax软件支持的一种模型数据文件。“.3ds”文件结构是由“块”组成的，它们描述了接在它们后面的数据信息。“块”由两部分组成：ID和下一个数据块的位置。3DS文件有一个主块，ID是0x4D4D，这个块是3DS文件的开始。通过寻找不同块的ID，可以读取文件中各种数据信息。

第二步：OpenGL屏幕显示。利用OpenGL API函数读入目标战斗机3DS格式的模型数据文件后，设置目标模型在OpenGL视口中的姿态。本实施例中，OpenGL视口的大小为400×400像素，目标模型在OpenGL视口中的显示图在X，Y方向上最大长度为200个像素左右，像素点的单位线度等于目标的真实尺寸除以模型在OpenGL视口平面相应位置所对应的像素点的个数，比如本实施例中F-14战斗机的机身长度大约位20米，模型机身长度所占的像素点的个数为200个，则应设置像素点的单位线度为0.1米。

定义两个坐标系：屏幕坐标系(x，y，z)和模型坐标系(x_t，，y_t，z_t)。当目标模型在OpenGL视口中不进行任何旋转和移动操作时，屏幕坐标系和模型坐标系重合，X轴的正方向为水平向右；Y轴的正方向为竖直向上；Z轴的方向为垂直X-Y平面向外，如图4所示，规定图4所示的目标姿态为绕x的旋转角为0°，绕z的旋转角为0°(顺时针方向为正方向)，为了生成不同雷达视角和目标姿态角下的雷达图像，需要在OpenGL视口中设置目标模型的姿态，本发明中主要是设置模型绕屏幕坐标系中x轴的旋转角θ和绕模型坐标系z轴的旋转角α。设置θ为60°，α为0°，此时屏幕坐标系和模型坐标系之间的关系可表示为图5。屏幕坐标系(x，y，z)绕x轴旋转θ为模型坐标系(x_t，，y_t，z_t)。设置OpenGL光照模型对目标模型进行色彩渲染，本发明采用Phong光照模型，设置红绿蓝单色光(光强都是1)分别从x，y，z三个方向照射目标模型。设置目标模型材质的反射特性为漫反射特性，材质的环境光颜色分量、镜面反射光颜色分量都为0，将目标模型在OpenGL视口中显示出来。

第三步：目标RCS散射特性建模。读取OpenGL视口中每个像素点颜色分量，由Phong光照模型简化模型可知像素点的红、绿、蓝颜色分量与其对应的散射面元的表面法矢量的x，y，z分量一一对应且相等，通过读取像素点的颜色分量就可以确定该像素点对应的散射面元的法矢量方向，本发明将蓝光作为入射光源，设散射面元与蓝光的入射方向(屏幕坐标系的Z方向)的夹角为δ，则散射面元法矢量在Z轴上的投影为cosδ，而法矢量在Z轴上分量与像素点颜色分量中的蓝色光分量相等，则cosδ的值即为像素点颜色分量中的蓝色光分量。

获得模型散射面元的法矢量后，利用高频近似计算理论中的物理光学计算理论，可以计算出每个散射面元的RCS值，计算公式如式(1)：

$\mathrm{\σ}={\left|\frac{2\sqrt{\mathrm{\π}}}{\mathrm{\λ}}\sin c\left(\frac{\mathrm{kl}}{\cos \mathrm{\δ}}\sin \mathrm{\δ}\right)e^{2\mathrm{jkz}}\mathrm{\Δs}\right|}^2---\left(1\right)$

其中：δ为每个散射面元的RCS值；λ为雷达工作波长；k为波数；δ为光照入射方向与散射点所在面元法线方向的夹角；l为表示每个方形像素所在屏幕上的单位线度；z为屏幕到散射点之间的距离；ΔS为每个像素点的面积。

用每个像素点在屏幕上的相对位置与像素点的单位线度相乘即得到其在屏幕上的X-Y坐标，读取每个像素点的深度缓存值，深度缓存值与像素点的单位线度相乘得到该像素点对应散射点的Z坐标。像素点在屏幕上的X-Y坐标和对应散射点的Z坐标构成了每个可见散射点在屏幕坐标系下的三维坐标，结合每个散射点的RCS值可生成该目标在屏幕坐标系下具有雷达散射特性的三维电磁散射模型。

第四、第五两步是目标场景建模和雷达仿真成像，其流程图如图6，下面结合流程图对该过程进行具体的说明。

第四步：目标场景建模。由前三步可以得到目标模型在屏幕坐标系下的三维电磁散射模型。为了模拟真实的目标场景，需要将目标在屏幕坐标系下的三维散射模型转换为在场景坐标系下的三维散射场景。其中场景坐标系的X-Y平面与模型坐标系的Xt-Yt平面重合，场景坐标系的X轴与屏幕坐标系的X轴重合，把场景坐标系的X-Y平面当作地球表面，场景坐标系的Z轴垂直地面向上，模型坐标系(x_t，，y_t，z_t)、屏幕坐标系(x，y，z)和场景坐标系(X，Y，Z)之间的关系如图7(为了图形的清晰，没有将三个坐标系的原点画在模型的几何中心，实际中应该重合)。设目标在OpenGL视口中沿屏幕坐标系x轴旋转角度θ，再沿模型坐标系得z轴旋转角度α。根据几何变换可以将每个像素点对应的散射点在屏幕坐标系下的坐标转换为在场景坐标系中的坐标。设(x，y，z)为散射点在屏幕坐标系下的坐标，(X，Y，Z)为坐标转换后散射点在场景坐标系下的坐标，则坐标转换公式可用下式表示：

$(X,Y,Z)=(x,y,z)\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ 0& -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]---\left(2\right)$

根据几何变换关系可知雷达的视角即为目标沿屏幕坐标系x轴旋转角度θ，目标在场景坐标系中绕z轴旋转角即为模型在模型坐标系中沿z轴的旋转角α。这样就可以模拟目标的真实三维场景，可以通过调整θ和α角来改变雷达视角和目标在地面上绕Z轴的旋转角。充分体现了这种方法在模拟真实场景建模中的灵活性。

第五步：设置真实的机载雷达参数对目标场景进行仿真成像。雷达视角即为目标模型在OpenGL视口中绕屏幕坐标系x轴的旋转角(当模型在OpenGL视口中旋转后，模型坐标系也随着旋转相同的角度)。目标在OpenGL视口中绕模型坐标系z轴的旋转角即为场景坐标系中目标的姿态角，利用机载高分辨SAR回波仿真模型对场景目标进行回波仿真和成像处理就可以生成目标在不同雷达视角和目标姿态角下的高分辨率RCS雷达图像。

本实施例中，利用高分辨率条带机载SAR回波仿真模型对目标进行回波仿真，工作方式为正侧视，雷达发射波采用毫米波段的线性调频波(LFM)脉冲，雷达工作参数如表1所示，方位向理论分辨率为0.1米，距离向理论分辨率为0.1米。

                     表1 雷达参数

参数	雷达斜距	脉冲重复频率	平台飞行速度	信号带宽	采样率	雷达波长	天线长度	脉冲宽度
									数值	15km	1500Hz	115m/s	1.5GHz	1.65GHz	0.003m	0.2m	10μs

本发明成像算法采用经典的雷达成像算法：CS(Chirp Scaling)雷达成像算法，在雷达视角为60°，目标旋转角为0°的条件下，生成分辨率为0.1米的目标战斗机的RCS雷达图像。如图8所示，从图中可以看出，该图具有了雷达图像的一些基本特征，雷达在距离向基于距离分辨和在方位向基于角度分辨的特性得到了很好的体现，而且图像的分辨率很高。通过调整目标模型在OpenGL视口中的姿态就可以改变雷达视角和目标的旋转角，可以生成目标在不同姿态下的雷达图像。实验证明了利用GRECO原理和雷达仿真成像技术对雷达目标进行建模的可行性。

Claims (4)

1、一种高分辨率合成孔径雷达的目标散射特性建模方法，包括如下步骤：

步骤一：获取典型军事目标的3DS格式的模型数据文件，并读入建模计算机；

步骤二：将目标的3DS格式的模型读入到OpenGL视口，设置目标模型的状态、OpenGL光照模型和模型的材质特性，将目标模型在OpenGL视口中显示出来；

步骤三：通过读取OpenGL视口上像素点的颜色分量来确定像素点所对应散射面元的法矢量，进而确定光照入射方向和散射面元法矢量之间的夹角；读取像素点的深度缓存值来确定像素点对应的散射面元到OpenGL视口平面的距离，结合雷达发射波参数和像素点的单位线度，计算每个散射点的RCS值，结合该像素点对应散射点的在屏幕坐标系下的三维坐标，生成该目标模型在屏幕坐标系下的具有雷达散射特性的三维电磁散射模型；

步骤四：设置场景坐标系中的X-Y平面为地球表面，垂直于地球表面向上为Z的正方向；屏幕坐标系x轴方向为屏幕上的水平向右方向，y方向为屏幕上竖直向上，z方向为垂直屏幕向外；设模型在OpenGL视口中沿屏幕坐标系的x轴旋转角度θ，再沿模型坐标系z轴旋转角度α，则场景坐标系由屏幕坐标系绕x轴旋转θ得到，将每个散射点在屏幕坐标系下的三维坐标转为在场景坐标系中的三维坐标，得到模拟真实目标的三维电磁散射场景；

步骤五：设置真实的机载雷达参数，利用机载高分辨SAR回波仿真模型对场景目标进行回波仿真，再进行成像处理，生成目标在不同雷达视角和目标姿态角下的高分辨率RCS雷达图像。

2、根据权利要求1所述一种高分辨率合成孔径雷达的目标散射特性建模方法，其特征在于：所述步骤三中，由像素点在OpenGL视口平面上的相对位置和像素点的单位线度相乘构成每个散射点的X-Y坐标，将像素点的缓存值与象素点的单位线度相乘构成散射点的Z坐标，可生成该像素点对应散射点的在屏幕坐标系下的三维坐标。

3、根据权利要求1所述一种高分辨率合成孔径雷达的目标散射特性建模方法，其特征在于：所述步骤三中，利用高频近似计算理论中的物理光学计算理论计算每个散射点的RCS值，并结合散射点的三维坐标生成了目标具有雷达散射特性的三维电磁散射模型。

4、根据权利要求1所述一种高分辨率合成孔径雷达的目标散射特性建模方法，其特征在于：所述步骤五中，仿真成像时，所选用的雷达视角为模型在OpenGL视口中绕屏幕坐标系的X轴的旋转角，目标在地面上的姿态角为模型绕模型坐标系的Z轴的旋转角。

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