CN102901965B

CN102901965B - 一种海洋杂波环境中电大尺寸目标雷达成像方法

Info

Publication number: CN102901965B
Application number: CN201210361270.6A
Authority: CN
Inventors: 吴霞
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2012-09-26
Filing date: 2012-09-26
Publication date: 2014-09-17
Anticipated expiration: 2032-09-26
Also published as: CN102901965A

Abstract

本发明涉及一种海洋杂波环境中电大尺寸目标雷达成像方法，具体为：本发明的内容是通过建立多干扰环境中面—体复合目标散射模型，并采用数值与解析混合算法的电磁仿真计算和快速后向投影成像方式对海洋环境中的电大尺寸目标进行雷达成像。本发明中电大尺寸是指目标的物理尺寸跟波长的比值大于10。雷达工作的频段一般是在高频区域，例如L波段频率范围是1-2GHz，S波段在2-4GHz。一些军事目标，包括战斗机、隐身飞机、航空母舰等在上述波段都属于电大尺寸。本发明方法中，通过复杂目标几何建模，电磁仿真计算和快速后向投影成像算法以及Kaiser窗边缘滤波，即可实现对海洋环境中的电大尺寸目标快速有效的雷达成像。

Description

一种海洋杂波环境中电大尺寸目标雷达成像方法

技术领域

本发明属于目标雷达成像领域，具体涉及一种海洋杂波环境中电大尺寸目标雷达成像方法。

背景技术

考虑到我国海域辽阔，对海洋上的飞机、渔船、军舰、油轮进行监测和定位，实现目标信息的提取和自动分类，在国民经济和国防建设上都有着重大意义。然而，由于各种地、海杂波的干扰，导致了近海岸或者远海环境中目标检测的困难。目前，经典的Doppler频域分离目标检测方法，难以准确区分强海洋杂波环境中的船只究竟是渔船、油轮还是军舰。

对于雷达监测中地面或海面上的复杂目标，因其复杂的物理结构和电大尺寸，使得数值方法需要很大的计算机内存和很长的计算时间，这就限制了数值方法的应用。对于电大尺寸目标，一般认为处于光学区，以往多选择高频近似方法，如Kirchhoff 切平面法、几何光学法、物理光学法、几何绕射理论、物理绕射理论、射线追踪法等。但是，其精度无法与数值方法相比。而且，国外也开发了多种成熟的基于高频方法的计算工具，如RECOTA、XPatch、GRECO等，大多是对单个复杂目标的雷达散射截面估算，通用性不够；甚至对用户规定一定的使用权限。从根本上讲，其本身不能完全适应实际工程研究中目标与杂波环境下复合散射的问题多样性。

为了更好地从海杂波中提取和识别目标特征，必须从海洋杂波环境中复杂目标电磁散射的机理出发，才能快速有效地对海洋杂波环境中的目标进行检测，准确区分不同的目标。因此，开发多干扰环境中目标的复合散射模型，并采用数值与解析混合算法，开发有效的海洋杂波环境中复杂目标的雷达成像仿真软件，这是一种快速有效地获得动态起伏海面上舰船与低空飞行目标耦合的全极化雷达成像模拟的途径。

中国专利号200910087133.6中设计了一种三维复杂目标的合成孔径雷达图像仿真方法，通过采用弹射线法原理和SAR仿真成像技术相结合的方法得到高分辨全极化的SAR图像，通过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获取高分辨率全极化的军事目标SAR图像。

但是这种方法有几种缺陷：一、该专利采用的SBR算法属于射线追踪法，对于复杂目标来说，目标面元剖分得要尽可能大，因此在目标的阴影边界、腔体等区域的计算精度明显不够。二、该算法利用z-buffer来完成入射电磁波的一次射线寻迹，z-buffer算法是较简单的消除隐藏面的算法之一，其缺点是占用空间大，没有利用图形的相关性与连续性。三、该专利只适用于单目标的SAR成像处理，对于面—体复合目标的情况不能实现。四、该专利没有考虑海洋杂波环境中的目标电磁特性，海面散射场及目标与海面之间的耦合散射场将给目标散射回波带来强杂波，从而在应用雷达检测、识别目标时，导致虚警的出现；同时，海面散射场及其与低飞目标的耦合散射场也给海上目标的跟踪带来很大的困难，因此需要一种海洋杂波环境中电大尺寸目标雷达成像技术。

发明内容

为了克服现有在复杂环境下把雷达原始数据模拟、成像和模式识别三者相结合技术的不足和缺陷，本发明的目的在于提供一种海洋杂波环境中电大尺寸目标雷达成像方法，其内容是通过建立多干扰环境中面—体复合目标散射模型，并采用数值与解析混合算法的电磁仿真计算和快速后向投影成像方式对海洋环境中的电大尺寸目标进行雷达成像。

本发明中电大尺寸是指目标的物理尺寸跟波长的比值大于10。雷达工作的频段一般是在高频区域，例如L 波段频率范围是1-2 GHz，S波段在2-4 GHz。一些军事目标，包括战斗机、隐身飞机、航空母舰等在上述波段都属于电大尺寸。

本发明提出的一种海洋杂波环境中电大尺寸目标雷达成像方法，具体步骤如下：

(1)，在仿真软件主界面菜单中选取目标模型，在选取的目标模型基础上建立海洋上空电大尺寸目标几何模型，采用GMSH方法对目标几何模型中的目标进行初始网格剖分，设定剖分类型、面元剖分尺寸以及计算频率参数；

(2)，根据步骤(1)得到的初始网格剖分设定的剖分类型、面元剖分尺寸以及计算频率参数通过海洋谱建模生成三维动态起伏海洋表面，采用多层快速多极子和物理光学数值混合算法进行电磁仿真计算，同时设置各种雷达工作参数和海洋表面生成，得到散射场计算结果，所述雷达工作参数包括雷达距离分辨率，入射角、方位角、场景尺寸以及方位参数。

散射场计算过程为：设入射角为θi 、 φi，散射角为 θs 、φs这里引入Fresnel反射系数R _h与R _v分别表示平行于入射面与垂直于入射面，因此任意极化方向的入射电场可以表示为平行极化与垂直极化的叠加。散射场可近似表达为：

(1)

其中， (2a)

(2b)

(2c)

(2d)

(2e)

(2f)

其中：是面元法向矢量，和为面元局部入射坐标系. 为入射场极化矢量, （分为水平极化入射和垂直极化入射），并且(,,)构成一组正交坐标系。

和分别是相对介电常数和相对磁导率。

所述海洋谱建模表达式为：

（3）

其中，k 是电磁波数，g是重力加速度，U_wind 是海面风速，

，

这里，s是常数，取 1.5×10^-4 m², φ 为海洋表面风向角。

海面风速U_wind 的计算公式如下：

（4）

其中，，是摩擦速度，z是海面高度。

(3)，将步骤(2)得到的散射计算结果采用快速后向投影成像（FBP）算法结合Kaiser窗函数进行边缘滤波选取合适的参数做目标特征提取，建立目标散射特性与几何结构特征的对应关系, 为目标识别提供图像数据验证，经过极化处理，获得全极化雷达成像结果。

根据成像算法FBP 分析不同入射、雷达的频率等参数下的目标特征。成像借助信号处理，从回波信号中还原出目标函数：

(5)

(6)

(7)

其中，是发射信号, s(t,u) 是t时刻、u处的回波信号, 代表卷积，星号代表复共轭。

对成像区域的每一个像素，计算出在对应的一个合成孔径时间内，它与每个位置之间的时延后，在距离压缩后的数据矩阵中找出相应的累积曲线，并沿此曲线将所有信号进行相干迭加，得到这个像素的能量和, 即为该点的图像。

本发明中，步骤(3)中所述快速后向投影算法是通过对电大尺寸复合目标采用数值混合方法求得的电磁散射计算结果进行成像处理，获得hh \ hv \ vh \ vv 全极化的雷达图像。

本发明中，所述合适的Kaiser窗函数参数α为2.2时，可获得最优边缘滤波效果。

Kaiser窗函数的表达式如下： (8)

其中，I₀是零阶修正贝塞尔函数，M是整数。

积极效果

在本发明方法中，通过复杂目标几何建模，电磁仿真计算和快速后向投影成像算法以及Kaiser窗边缘滤波，即可实现对海洋环境中的电大尺寸目标快速有效的雷达成像。

附图说明

图1 是本发明中开发的仿真软件流程图，复杂目标几何建模101是建立海洋上空目标模型，电磁仿真计算102是通过数值混合算法和雷达参数选取等得到目标散射特性计算结果，最后进行双站雷达图像模拟103。

图2是本发明实施例的海洋环境中的电大尺寸目标雷达成像实施流程图。

图3 是本发明中开发的仿真软件主界面示意图。

图4 是本发明中GMSH对目标进行剖分参数选择示意图。

图5 是本发明实施例中目标建模剖分示意图。

图6 是本发明中开发的仿真软件在电磁仿真模块的参数选择示意图。

图7 是本发明实施例中海洋表面生成、海洋谱建模参数选取示意图。

图8 是本发明实施例中目标雷达成像示意图。

图中标号：101为复杂目标几何建模，102为电磁仿真计算，103为双站雷达图像模拟，201为选取目标模型，202为几何建模，203为海洋表面生成，204为散射计算结果，205为快速后向投影成像算法，206为Kaiser窗函数参数选取。

具体实施方式

下述是说明本发明的实施例，但不仅限于此。结合附图，该实例是以“里根号”核动力航空母舰CVN-76为例通过电磁仿真和雷达成像模拟方法来获得海洋环境中电大尺寸目标的雷达成像。

CVN-76主要相关参数

动力装置: 核反应堆+蒸汽轮机

主引擎: 4

全长: 1,092 英尺 (332.85 米)

最大甲板宽: 257英尺(78.34 米)

舷宽: 134英尺(40.84 米)

吃水深: 38.4英尺 (11.7 米)

排水量: 100,000 吨

航速: 30+ 节

舰载机: 85

乘员: 5700-5900人

母港: 圣地亚哥港, 加州。

图2是本发明的具体实施例，“里根号”航空母舰的双站雷达成像模拟实施流程图，图4、图5、图6、图7、图8分别是对图2中步骤的详细描述，具体如下：

1．步骤201 是选取目标模型：在模型选项对话框中（图4），分别在选择目标模型里选中“航母”或者在查找剖分文件中选定已有的剖分文件。

2．步骤202（图4）是几何建模：采用GMSH对目标进行初始网格剖分，设定剖分类型、面元剖分尺寸以及计算频率参数，点击“剖分”将出现图5中显示的GMSH剖分结果。

该CVN-76模型包含舰体的主体部分和甲板上的塔台，初始网格剖分的统计数据如下：

1766 个节点, 5268 条棱边和3512 个面元。

3．步骤102电磁仿真计算中包括数值混合算法，雷达参数选取（图6），包括雷达距离分辨率的选取，入射角、方位角以及场景尺寸、方位参数的设置，以及海洋表面生成203。

4．步骤203（图7）是海洋表面生成：

此方法中海洋谱建模公式为：

（1）

其中，

海面风速U_wind 的计算公式如下：

（2）

其中，，是摩擦速度，z是海面高度。

表1 给出了U* 与U_wind的关系。取海面高度z=19.5 m处的数据。

表1 海面高度19.5m 处U_wind值

本实施例中给出摩擦速度取0.86米/秒，海面高度为19.5米，风向0度时的海洋表面动态模拟（图7）。从实践中可以得到，海面风速越大，风向改变对海浪的形状影响越大的结论。

5．步骤204是用上述参数进行数值混合计算得到面-体复合目标的散射特性计算结果。

6．步骤103是雷达成像模拟：包括采用快速后向投影成像（FBP）算法205、Kaiser窗边缘参数选取206以及选定极化方式（hh \ hv \ vh \ vv）获得最终雷达成像结果（图8），接收点位于xz 平面的圆周上（半径R = 1000 m），采样128个场点。

图5、图7、图8是通过上述实施例中的方法，以里根号“核动力航空母舰CVN-76”为例，对该目标的面元剖分，海洋环境生成，以及双站雷达成像模拟这三个角度展示了本发明对海洋环境中电大尺寸目标雷达成像的效果，通过试验表明，Kaiser窗函数取值为2.2时，成像效果理想，故本发明是切实可行的。

Claims

1.一种海洋杂波环境中电大尺寸目标雷达成像方法，其特征在于具体步骤如下：

(2)，根据步骤(1)得到的初始网格剖分设定的剖分类型、面元剖分尺寸以及计算频率参数通过海洋谱建模生成三维动态起伏海洋表面，采用多层快速多极子和物理光学数值混合算法进行电磁仿真计算，同时设置各种雷达工作参数和海洋表面生成，得到散射场计算结果，所述雷达工作参数包括雷达距离分辨率，入射角、方位角、场景尺寸以及方位参数；

散射场计算过程为：设入射角为θi 、 φi，散射角为 θs 、φs，引入Fresnel反射系数R _h与R _v分别表示平行于入射面与垂直于入射面，因此任意极化方向的入射电场表示为平行极化与垂直极化的叠加；散射场可近似表达为： (1)

其中： (2a)

(2b)

(2c)

(2d)

(2e)

(2f)

其中：是面元法向矢量，和为面元局部入射坐标系，为入射场极化矢量,分为水平极化入射和垂直极化入射，并且(,,)构成一组正交坐标系；和分别是相对介电常数和相对磁导率；

所述海洋谱建模表达式为：（3）

其中，k 是电磁波数，g是重力加速度，U_wind 是海面风速，， s是常数，取 1.5×10^-4 m², φ 为海洋表面风向角；

海面风速U_wind 的计算公式如下：（4）其中，，是摩擦速度，z是海面高度；

(3)，将步骤(2)得到的散射计算结果采用快速后向投影成像算法结合Kaiser窗函数进行边缘滤波选取合适的参数做目标特征提取，建立目标散射特性与几何结构特征的对应关系, 为目标识别提供图像数据验证，经过极化处理，获得全极化雷达成像结果；根据快速后向投影成像算法分析不同入射、雷达的频率参数下的目标特征；成像借助信号处理，从回波信号中还原出目标函数：

(5)

(6)

(7)

其中，是发射信号, s(t,u) 是t时刻、u处的回波信号, 代表卷积，星号代表复共轭；

2.根据权利要求1所述的海洋杂波环境中电大尺寸目标雷达成像方法，其特征在于步骤(3)中所述快速后向投影算法是通过对电大尺寸复合目标采用多层快速多极子和物理光学数值混合算法求得的电磁散射计算结果进行成像处理，获得hh \ hv \ vh \ vv 全极化的雷达图像。

3.根据权利要求1所述的海洋杂波环境中电大尺寸目标雷达成像方法，其特征在于所述合适的Kaiser窗函数参数α为2.2时，获得最优边缘滤波效果；Kaiser窗函数的表达式如下： (8)

其中，I₀是零阶修正贝塞尔函数，M是整数。