CN101923166B - 一种三维复杂目标的合成孔径雷达图像仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种三维复杂目标的合成孔径雷达图像仿真方法，涉及合成孔径雷达图像技术，采用了弹射线法原理和SAR仿真成像技术相结合的方法。首先读入三维目标的三角面元模型，利用SBR算法求出全极化的目标散射系数的三维空间分布，然后利用目标模型和SAR几何参数求得背景杂波的散射系数分布以及阴影区，最后将目标和背景散射系数投影到斜平面，利用SAR回波仿真和成像算法得到高分辨全极化的SAR图像。本发明的仿真方法，为获取高分辨率全极化的军事目标SAR图像提供了一种有效的途径，为SAR ATR的研究提供了更为丰富的样本库，对提高SAR ATR研究的技术水平有着重要的意义。

Description

一种三维复杂目标的合成孔径雷达图像仿真方法

技术领域

本发明涉及合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)图像技术领域，是一种利用弹射线法(SBR)原理和合成孔径雷达图像仿真来进行三维复杂目标的高分辨率全极化SAR图像的仿真方法。

背景技术

弹射线法(SBR Shooting and Bouncing Ray)由Hao Ling于1989年提出，最初用于腔体的RCS计算。弹射线法通过结合几何光学法(GO)和物理光学法(PO)计算目标的RCS，目标对电磁波的单次反射贡献通过PO积分直接给出，多次反射则通过多次的GO射线跟踪和最后的PO积分给出。由于考虑了多次反射的效应，SBR法能够很好的模拟高频条件下的目标多次反射效应，如二面角，三面角结构。在高频近似的条件下，相比于精确的计算电磁学方法相比，弹射线法具有计算速度高内存消耗少等优点。

随着合成孔径雷达(SAR)分辨率的不断提高，基于合成孔径雷达图像的自动目标识别也得到了迅速的发展。由于SAR目标的电磁散射敏感于目标姿态，所以SAR ATR的研究需要大量的不同姿态下的图像模板。目前国内大多采用美国空军实验室(AFRL)提供的MSTAR实测数据作为研究ATR的数据源，对华公开的MSTAR数据源目标较为单一(三种坦克)，分辨率较低(0.3m×0.3m)，且为单极化数据(VV极化)，很难满足未来的SAR ATR(Automatic Target Recognition)研究的需要。

三维复杂目标的SAR图像仿真是基于模型的SAR目标自动识别(ModelBased SAR ATR)的基础，准确有效的仿真目标的SAR图像不仅是建立SARATR系统的关键技术之一，而且也为理解目标散射特性进而研究SAR ATR方法提供了实验平台。

发明内容

本发明提供了一种三维复杂目标的合成孔径雷达图像仿真方法，基于三维复杂目标模型仿真其高分辨率全极化的SAR图像，解决了ATR研究中实验模板数据不足的问题。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种三维复杂目标的合成孔径雷达图像仿真方法，其包括如下步骤：

步骤一：读入三维复杂目标的三角面元模型，并从等相位面发射一簇射线来模拟入射的平面电磁波；

步骤二：利用z-buffer算法来完成入射电磁波的一次射线寻迹，对于存在一次弹射的入射线，保留其反射线，对于没有弹射的入射线，将其删除；

步骤三：根据目标面元模型，构建目标的空间八叉树结构，通过空间八叉树算法完成余下的射线寻迹过程，射线寻迹过程中采用并行计算加速；

步骤四：根据求得射线的几何弹射结果，对多次弹射线利用几何光学法跟踪射线的幅度，相位和极化，对于最后一次弹射线利用物理光学法求出散射点的远场散射强度；

步骤五：设置SAR雷达参数，利用目标三维模型求得地面阴影区域和地面杂波散射，将目标的散射系数和杂波的散射系数投影到斜平面；

步骤六：根据SAR参数，利用回波仿真算法对目标的全极化数据进行回波仿真，再进行成像处理，生成目标在不同雷达参数和目标姿态角度下的高分辨率全极化SAR雷达图像。

所述的三维复杂目标的合成孔径雷达图像仿真方法，其所述步骤二中，利用了Z-buffer算法加速了一次射线寻迹，同时完成了目标的消隐。

所述的三维复杂目标的合成孔径雷达图像仿真方法，其所述步骤三中，利用的空间八叉树结构加速了二次以上的射线寻迹，并且通过多核并行计算技术加速计算过程；其中，包括步骤：

(1)构建目标模型的空间八叉树数据结构：

A.取空间中的一长方体盒子，使之恰好包围住全部的三角面元；

B.将盒子依空间八个象限分成八个子盒子，对于每个子盒子判定其中包括的三角面元数目，并记录盒子的父子数据结构；

C.如果盒子中的三角面元数目大于预先的设定值，记录其为父亲节点；如果盒子中的三角面元数目小于预先的设定值，记录其为叶子节点和包含的面元信息；

D.循环执行B，完成返回；

(2)基于空间八叉树结构的射线寻迹：

A.判断射线是否于根结点相交，如果不相交结束；如果相交则执行B；

B.计算各子节点盒子的相交距离，依相交距离由小到大依次执行C；

C.判断各子节点是否为叶子节点，如果不是，递归执行B；如果是，判断是否存在相交三角面元，如果存在相交三角面元则完成本次寻迹，如果不存在相交三角面元则继续寻找。

所述的三维复杂目标的合成孔径雷达图像仿真方法，其所述步骤四中，利用了几何光学法和物理光学法结合的方法求解目标散射系数分布，并且将电磁强度寻迹和射线几何寻迹分离，使得完成一次全极化计算仅需一次射线寻迹过程。

所述的三维复杂目标的合成孔径雷达图像仿真方法，其所述步骤四中，采用了虚拟散射中心方法，定位出多次散射波的虚拟等效散射点，运算公式如下：

$P_{\mathrm{virtual}}=(P_1+P_N)/2-\hat{r}\left(\mathrm{Delay}\right)/2$

$\mathrm{Delay}=\underset{i=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\left|\right|P_i-P_{i+1}\left|\right|$

其中，P_i为第i次弹射点的坐标，N为弹射次数，Delay是多次弹射引起的距离延时，为入射波的单位法向量；

多次散射的等效散射中心在P_virtual处，而单次散射的散射中心在P₁处，虚拟散射中心方法将电磁波在目标内部的多次弹射等效为目标散射中心的向后迟延，有利于后续的SAR回波仿真和成像算法的实施。

所述的三维复杂目标的合成孔径雷达图像仿真方法，其所述步骤五中，根据目标模型求取地面阴影，并将等效的虚拟散射中心和实际散射中心等效看待，均投影到SAR成像斜平面后，仿真回波并成像。

通过上述方法来实现的目标SAR图像仿真具有以下几点优势：

(1)利用了计算机仿真得到SAR数据，成本低廉；

(2)引入了SBR算法计算散射系数分布，能准确反应多次反射效应；

(3)利用了z-buffer算法和空间八叉树算法加速了射线寻迹过程，使得计算效率大为提高；

(4)能够快速准确的仿真出军事目标在不同姿态，不同SAR参数条件下的高分辨率，全极化SAR图像。

本发明解决了实验研究ATR数据源不足的问题，具有以下几点显著的优点：1.计算速度快；2.分辨率高；3.全极化的SAR图像数据仿真；4.计算精度高，能够准确的反映多次反射效应。

附图说明

图1是本发明的三维复杂目标的合成孔径雷达图像仿真方法流程图；

图2是本发明仿真方法读入M1A1坦克目标的三角面元模型示意图；

图3是本发明仿真方法的射线于三角面元弹射示意图；

图4是本发明仿真方法的空间八叉树数据结构示意图；

图5是本发明仿真方法的单次散射和多次散射示意图；

图6是本发明仿真方法的求取阴影区和斜平面投影示意图；

图7是本发明仿真方法的M1A1坦克高分辨率全极化仿真结果图。

具体实施方式

本发明的一种三维复杂目标的合成孔径雷达图像仿真方法，包括以下六个具体步骤：

步骤一：读入三维复杂目标的三角面元模型，并从等相位面发射一簇射线来模拟入射的平面电磁波，如入射参考点为p_ref，入射方向向量为

入射参变量为t，则每条入射线r₁可表示为：

$r_1=p_{\mathrm{ref}}+\hat{s}*t---\left(1\right)$

步骤二：利用z-buffer算法来完成入射电磁波的一次射线寻迹，对于存在一次弹射的入射线，保留其反射线，对于没有弹射的入射线，将其删除。其中z-buffer算法同时完成了目标消隐和射线寻迹，节约了计算量。

步骤三：根据目标面元模型，构建目标的空间八叉树结构，通过空间八叉树算法完成余下的射线寻迹过程，射线寻迹过程中采用并行计算加速。

步骤四：根据射线的几何弹射结果，对多次弹射线利用几何光学法(GO)跟踪射线的幅度，相位和极化，对于最后一次弹射线利用物理光学法(PO)求出散射点的远场散射强度。

步骤五：设置SAR雷达参数，利用目标三维模型求得地面阴影区域和地面杂波散射，将目标的散射系数和杂波的散射系数投影到斜平面。

步骤六：根据SAR参数，利用回波仿真算法对目标的全极化数据进行回波仿真，再进行成像处理，生成目标在不同雷达参数和目标姿态角度下的高分辨率全极化SAR雷达图像。

下面结合附图，对M1A1型主战坦克的仿真实例进一步说明本发明的具体实施方式。

本发明方法的整体实施流程如图1所示，其中包括了电磁计算模块和SAR图像仿真模块。具体流程分为六个步骤，其中前四个步骤是电磁仿真计算部分，后两个步骤是SAR图像仿真部分，下面结合算例具体说明。

第一步：读取目标的三角面元模型(如图2所示)，目标是由空间中的N_T个三角面元构成，其中第i个面元可由其三个顶点{Ta_i，Tb_i，Tc_i}表示，则一个复杂目标可表示为：

{Ta_i，Tb_i，Tc_i}，i＝1，2，3...N_T    (2)

结合SAR成像参数，确定入射电磁波的等相位面和入射法矢量，在等相位面上等间距的发射一系列入射线模拟电磁波的入射，每条入射线由入射点和法矢量表示，如(1)式。

第二步：利用z-buffer算法来完成入射电磁波的一次射线寻迹，对于存在一次弹射的入射线，保留其反射线，对于没有弹射的入射线，将其删除。设入射线有N_R条，目标由N_T个三角面元组成，则完成全部的射线寻迹需要判断N_R*N_T次射线与三角形的相交运算，这是十分费时的。考虑到首次入射线的特殊性，即所有入射线的入射点等间隔的分布在等相位面上且其入射法向量相同，采用z-buffer算法可以大为节省计算量。以等相位面为XY平面，入射电磁波法向为Z平面，目标的坐标投影到新构建的坐标系中；比较Z坐标大小，保留Z坐标较小的三角面元实现目标的遮挡消隐；对于保留的三角面元，通过其XY坐标值索引对应的入射线完成射线寻迹，这样变盲目搜索为坐标索引的方式避免了N_R*N_T次比较运算。

第三步：利用空间八叉树算法完成二次以上的射线寻迹，即以第二步的一次反射线结果为入射线，继续射线寻迹步骤。考虑到经过了三维复杂目标的一次弹射后各条射线的参考点法矢量均不尽相同，二次以上的射线寻迹采用空间八叉树和并行计算的方法进行加速计算。由于每条射线的几何寻迹过程是完全独立的，所以该算法首先具有内在的并行性。其次为了避免N_R*N_T次的射线和三角形相交比较，引用了空间八叉树算法加速，理想情况下可将算法复杂度降低至N_R*log₈(N_T)量级，下面简要叙述空间八叉树加速算法步骤：

(1)构建目标模型的空间八叉树数据结构：

A.取空间中的一长方体盒子，使之恰好包围住全部的三角面元；

B.将盒子依空间八个象限分成八个子盒子，对于每个子盒子判定其中包括的三角面元数目，并记录盒子的父子数据结构；

C.如果盒子中的三角面元数目大于预先的设定值，记录其为父亲节点；如果盒子中的三角面元数目小于预先的设定值，记录其为叶子节点和包含的面元信息；

D.循环执行B，完成返回。

(2)基于空间八叉树结构的射线寻迹：

A.判断射线是否于根结点相交，如果不相交结束；如果相交则执行B；

B.计算各子节点盒子的相交距离，依相交距离由小到大依次执行C；

C.判断各子节点是否为叶子节点，如果不是，递归执行B；如果是，判断是否存在相交三角面元，如果存在相交三角面元则完成本次寻迹，如果不存在相交三角面元则继续寻找。

假设空间存在10个三角面元，设定叶子盒子节点包含的三角面元个数不超过2个，则生成的空间八叉树数据结果由图4所示。

第四步：根据射线的几何弹射结果，对多次弹射线利用几何光学法(GO)跟踪射线的幅度，相位和极化，对于最后一次弹射线利用物理光学法(PO)求出散射点的远场散射强度。

为了避免不必要的运算，对于全极化的SAR图像仿真采取了一次射线追踪，两次电磁强度跟踪和四次最终远场散射相结合的计算方式，最大限度的避免了计算冗余。当射线跟踪结束后，根据几何光学法(GO)电场强度满足以下的迭代关系：

$\stackrel{\→}{E}\left(r_{i+1}^{-}\right)={\left(\mathrm{DF}\right)}_i{\left(\stackrel{=}{\mathrm{\Γ}}\right)}_i\stackrel{\→}{E}\left(r_i^{-}\right)e^{-j\left(\mathrm{phase}\right)}---\left(3\right)$

其中

和分别为第i+1和第i次弹射线的电场强度，(DF)_i和

分别为第i次弹射的扩散系数和并矢反射系数，phase为距离相位项，j为单位虚数。若第i次弹射线的两个主曲率半径为ρ_1，2 ⁱ，第i次弹射线的弹射距离为s，则(DF)_i可由下式计算：

${\left(\mathrm{DF}\right)}_i=\sqrt{\frac{{\mathrm{\ρ}}_1^i{\mathrm{\ρ}}_2^i}{({\mathrm{\ρ}}_1^i+s)({\mathrm{\ρ}}_2^i+s)}}---\left(4\right)$

在平面波入射假设下，初始化入射线的主曲率半径为 ${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{1,2}}^0=\∞,$ 如果入射点处目标的曲率半径为ρ_1，2 ^t，入射角为θ₁，入射线和目标两个主方向

和

的夹角分别为

和(图3)，则弹射线的主曲率半径满足以下迭代关系：

$\begin{array}{c}\frac{1}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{1,2}}^{i+1}}=\frac{1}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{1,2}}^i}+\frac{1}{{\mathrm{\ρ}}^{\′}\cos {\mathrm{\θ}}_1}\\ \±\sqrt{\frac{1}{{\left({\mathrm{\ρ}}^{\′}\right)}^2{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_1}-\frac{4}{{\mathrm{\ρ}}_1^t{\mathrm{\ρ}}_2^t}}\end{array}---\left(5\right)$

记弹射线在弹射点前后的电场分量分别为

和

入射电场

分解为垂直入射分量和水平入射分量，则有：

$\stackrel{\→}{E}\left(1^{-}\right)=({\stackrel{\→}{E}}^i\·{\widehat{\mathrm{\φ}}}_c^i){\widehat{\mathrm{\φ}}}_c^i+({\stackrel{\→}{E}}^i\·{\widehat{\mathrm{\θ}}}_c^i){\widehat{\mathrm{\θ}}}_c^i---\left(7\right)$

$\stackrel{\→}{E}\left(1^{+}\right)=\mathrm{\Γ}({\stackrel{\→}{E}}^i\·{\widehat{\mathrm{\φ}}}_c^i){\widehat{\mathrm{\φ}}}_c^r+\stackrel{\‾}{\mathrm{\Γ}}({\stackrel{\→}{E}}^i\·{\widehat{\mathrm{\θ}}}_c^i){\widehat{\mathrm{\θ}}}_c^r---\left(8\right)$

其中

分别为局部坐标系中的TE和TM电磁波分量的单位法向量，对于理想导体而言，Γ＝-1，Γ＝1。

若最后一个弹射点处的磁感强度为

根据物理光学近似，表面感应电流为 $\stackrel{\→}{J}=2\hat{n}\×{\stackrel{\→}{H}}^i,$ 其中

为表面单位法矢量，则远场散射的电场强度为：

E^s＝-jkZN_t    (9)

其中Z为波阻抗真空条件下为120π，k为波数，N_t为：

$N_t=\frac{e^{-\mathrm{jkr}}}{4\mathrm{\πr}}\∫J\left(r^{\′}\right)e^{\mathrm{jk}{r}^{\′}(r-r^{\′})}{\mathrm{dS}}^{\′}{|}_t---\left(10\right)$

t表示取传播方向的切向，r，r′分别为场点和源点位置矢量，dS′为积分面元，J(r′)为r′处的表明感应电流。通过分别计算每条射线对后向散射强度的贡献，可得出散射系数的三维分布：

${\mathrm{\γ}}_{\mathrm{ps}/\mathrm{pi}}\left(r^{\′}\right)=\frac{E_{\mathrm{ps}}^s}{E_{\mathrm{pi}}^i}---\left(11\right)$

式中pi，ps分别表示入射和散射场的极化取向，γ_ps/pi(r′)为r′处的散射系数，E_ps ^s和E_pi ⁱ分别为入射和最终散射的电场强度。需要指出的是，在计算PO远场积分前要考察最后弹射点是否可以被入射方向可视，不可见的弹射线必须忽略。

对于单次散射情况，散射中心在P₁处，即在目标的物理表面上；对于多次散射情况，采用了虚拟散射中心VSP(Virtual Scattering Point)方法，定位出多次散射波的虚拟等效散射点，其中P_i为第i次弹射点的坐标，N为弹射次数，Delay是多次弹射引起的距离延时，为入射波的单位法向量：

$P_{\mathrm{virtual}}=(P_1+P_N)/2-\hat{r}\left(\mathrm{Delay}\right)/2---\left(12\right)$

$\mathrm{Delay}=\underset{i=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\left|\right|P_i-P_{i+1}\left|\right|---\left(13\right)$

多次散射的等效散射中心在上述定义的P_virtual处，而单次散射的散射中心在P₁处，如图5所示。VSP方法将电磁波在目标内部的多次弹射等效为目标散射中心的向后迟延，有利于后续的SAR回波仿真和成像算法的实施。

第五步：设置SAR雷达参数，利用目标三维模型求得地面阴影区域和地面杂波散射，其中照明区域的杂波散射系数的幅度服从瑞利分布，相位服从均匀分布(参见图6)。然后将目标的散射系数和杂波的散射系数投影到斜平面，需要指出的是，对于第四步得到的虚拟散射点的结果，在SAR图像仿真过程中将和实际散射中心RSP(Real Scattering Point)同等看待。

第六步：根据SAR参数，利用回波仿真算法对目标的全极化数据进行回波仿真，再进行成像处理，生成目标在不同雷达参数和目标姿态角度下的高分辨率全极化SAR雷达图像。图7显示了利用本发明的方法仿真得到的0.1m*0.1m分辨率，M1A1主战坦克的高分辨率全极化的SAR图像，其中，左上VV；右上VH；左下HV；右下HH。

Claims (3)

1.一种三维复杂目标的合成孔径雷达图像仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：读入三维复杂目标的三角面元模型，并从等相位面发射一簇射线来模拟入射的平面电磁波；

步骤二：利用z-buffer算法来完成入射电磁波的一次射线寻迹，对于存在一次弹射的入射线，保留其反射线，对于没有弹射的入射线，将其删除；

步骤三：根据目标面元模型，构建目标的空间八叉树结构，通过空间八叉树算法完成余下的射线寻迹过程，射线寻迹过程中采用并行计算加速；

步骤四：根据求得射线的几何弹射结果，对多次弹射线利用几何光学法跟踪射线的幅度，相位和极化，对于最后一次弹射线利用物理光学法求出散射点的远场散射强度；

步骤五：设置SAR雷达参数，利用目标三维模型求得地面阴影区域和地面杂波散射，将目标的散射系数和杂波的散射系数投影到斜平面；

步骤六：根据SAR参数，利用回波仿真算法对目标的全极化数据进行回波仿真，再进行成像处理，生成目标在不同雷达参数和目标姿态角度下的高分辨率全极化SAR雷达图像；

其中，所述步骤三中，利用的空间八叉树结构加速了二次以上的射线寻迹，并且通过多核并行计算技术加速计算过程；其中，包括步骤：

(1)构建目标模型的空间八叉树数据结构：

A.取空间中的一长方体盒子，使之恰好包围住全部的三角面元；

B.将盒子依空间八个象限分成八个子盒子，对于每个子盒子判定其中包括的三角面元数目，并记录盒子的父子数据结构；

C.如果盒子中的三角面元数目大于预先的设定值，记录其为父亲节点；如果盒子中的三角面元数目小于预先的设定值，记录其为叶子节点和包含的面元信息；

D.循环执行B，完成返回；

(2)基于空间八叉树结构的射线寻迹：

A.判断射线是否于根结点相交，如果不相交结束；如果相交则执行B；

B.计算各子节点盒子的相交距离，依相交距离由小到大依次执行C；

C.判断各子节点是否为叶子节点，如果不是，递归执行B；如果是，判断是否存在相交三角面元，如果存在相交三角面元则完成本次寻迹，如果不存在相交三角面元则继续寻找；

所述步骤四中，利用了几何光学法和物理光学法结合的方法求解目标散射系数分布，并且将电磁强度寻迹和射线几何寻迹分离，使得完成一次全极化计算仅需一次射线寻迹过程；

所述步骤四中，采用了虚拟散射中心方法，定位出多次散射波的虚拟等效散射点，运算公式如下：

$P_{\mathrm{virtual}}=(P_1+P_N)/2-\hat{r}\left(\mathrm{Delay}\right)/2$

$\mathrm{Delay}=\underset{i=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\left|\right|P_i-P_{i+1}\left|\right|$

其中，P_i为第i次弹射点的坐标，N为弹射次数，Delay是多次弹射引起的距离延时，

为入射波的单位法向量；

多次散射的等效散射中心在P_virtual处，而单次散射的散射中心在P₁处，虚拟散射中心方法将电磁波在目标内部的多次弹射等效为目标散射中心的向后迟延，有利于后续的SAR回波仿真和成像算法的实施。

2.根据权利要求1所述的三维复杂目标的合成孔径雷达图像仿真方法，其特征在于，所述步骤二中，利用了Z-buffer算法加速了一次射线寻迹，同时完成了目标的消隐。

3.根据权利要求1所述的三维复杂目标的合成孔径雷达图像仿真方法，其特征在于，所述步骤五中，根据目标模型求取地面阴影，并将等效的虚拟散射中心和实际散射中心等效看待，均投影到SAR成像斜平面后，仿真回波并成像。

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