CN103176171A - 一种干涉sar分布目标仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种干涉SAR分布目标仿真方法，能够将地面目标信息从地距转化到斜距，在双通道回波信号中实现了地形导致的几何畸变现象。步骤1：将场景划分成众多小面单元，步骤2：地距坐标系到斜距坐标系变换：将步骤1中均匀划分的散射点地距坐标变换到斜距上均匀分布坐标，由地距线上地形信息和斜距值，插值获得散射点三维坐标，使其能够被雷达距离门采集到；步骤3：通过步骤2中插值后得到的小面单元，计算其双通道后向散射图：步骤4：根据步骤1至步骤3中建立的几何模型和散射模型，生成双通道相关性回波数据。

Description

一种干涉SAR分布目标仿真方法

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，具体涉及一种干涉SAR分布目标仿真方法。 

背景技术

干涉SAR通过双天线或两次观测获取相关性的双通道回波数据，通过成像和干涉处理获得地形信息。干涉SAR仿真在干涉处理算法验证、干涉系统性能评估等方面发挥着重要作用。干涉SAR的信号模拟要建立在单通道SAR回波仿真的基础上，但不能独立的生成两路原始回波数据，必须确保双通道数据的相关性。目前干涉SAR仿真主要的技术方案有以下三种：第一种是针对平坦地形，理想化模拟双通道回波数据，经过成像处理后获得干涉相位；第二种是直接依据地形数据和干涉相位理论模型获得干涉条纹；第三种是依据SAR图像信号理论模型，在图像域进行仿真。当前的技术方案存在以下不足： 

（1）模型不准确：不论是图像域的仿真还是纯几何干涉相位模拟，均是理论的信号模型，过于理想化，无法引入系统误差，通常用于干涉处理算法的验证，不适用于干涉SAR系统工程设计。 

（2）未考虑地形因素对干涉性能的影响：地面高程的起伏给干涉SAR对地观测带来阴影、透视缩小和叠掩等几何畸变现象。透视缩小的产生是在地距转化到斜距过程中，由于地形起伏，雷达视线迎坡时，在SAR斜距图像上发生缩短，而雷达视线背坡时，发生背坡延长的现象。透视缩小的产生只会使得目标发生几何变形，但是能够正常的获取干涉相位和反演地面高程；阴影是由于地形的遮挡使得雷达波束不能照射而导致，阴影区域的回波能量是很低的，在图像中表现为暗色的区域，干涉条纹中表现为噪声。叠掩现象在地势起伏较大时经常产生，坡顶的回波信号先于底部回波到达雷达接收机，导致地距空间中不连续的目标点回波叠加到SAR图像中的同一个像素上，在SAR图像中表现为高亮区域。叠掩区域的干涉条纹往往发生断层和跳变，不能正确反演高程。几何畸变对干涉SAR系统高程测量性能产生重要影响，当前的仿真主要针对的是平坦地形，地形因素在这里被淡化了。 

发明内容

本发明克服当前干涉SAR仿真方法的不足，提出一种干涉SAR分布目标仿真方法，从几何畸变产生机理出发，构建地距几何模型，将地面目标信息从地距转化到斜距，在双通道回波信号中实现了地形导致的几何畸变现象。 

解决该技术问题的技术方案为： 

步骤1：场景网格划分：将场景划分成众多小面单元，小面单元中心点的高度为输入DEM高度； 

步骤2：地距坐标系到斜距坐标系变换：将步骤1中均匀划分的散射点地距坐标变换到斜距上均匀分布坐标，由地距线上地形信息和斜距值，插值获得散射点三维坐标，使其能够被雷达距离门采集到； 

步骤3：通过步骤2中插值后得到的小面单元，计算其双通道后向散射图：首先由空间几何关系，计算雷达视线相对小面单元入射角，由点散射模型计算小面单元确定性散射特性，然后由相干斑的乘积模型，仿真SAR图像中的相干斑现象； 

步骤4：根据步骤1至步骤3中建立的几何模型和散射模型，生成双通道相关性回波数据。 

所述步骤2中变换计算方法如下：其中A4为目标点，其坐标为(y4,z4)； 

(a)已知地距地形z，计算整个地距线上散射点斜距： 

其中H为平台高度，Z是散射点高程，y是地距坐标； 

(b)寻找散射点A4斜距R₄对应的最近雷达采样门R4′： 

${R4}^{\′}=\mathrm{round}\left(R_4\right)=\mathrm{round}(\sqrt{y_4^2+{(H-z_4)}^2}),$ 其中round()表示距离R4最近的采样斜距； 

(c)插值获得R4'对应地距上散射点A4’的高程z′₄： 

z'₄＝interp(z,R,R′₄)，其中interp为插值函数。 

再由下式计算该点地距坐标： 

$y_4^{\′}=\sqrt{R_4^{\′2}-{(H-z_4^{\′})}^2}.$

附图说明

图1为本发明干涉SAR分布目标仿真方法流程图； 

图2为本发明小面单元模型示意图； 

图3为本发明分布目标网格划分示意图； 

图4为本发明地距坐标系向斜距坐标系转换示意图； 

图5干涉SAR观测场景坐标系示意图； 

图6为本发明场景地形图示意图； 

图7为本发明通道1地距散射系数图示意图； 

图8为本发明通道2地距散射系数图； 

图9为本发明通道1SAR图像； 

图10为本发明通道2SAR图像； 

图11为本发明干涉条纹示意图。 

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。 

如图1所示，本发明的方法包括以下步骤： 

步骤1：场景网格划分：场景可以由相连的众多小平面来表征，小面单元尺寸的选择，大于信号波长，但远远小于雷达分辨单元。如图2所示，分辨单元方位向长度为V_st/f_p，其中V_st为方位向平台速度，f_p为方位向脉冲重复频率，分辨单元距离向长度为c/2f_s。因而最简单的散射点分布方式是在一个分辨单元内放置一个小面单元，其散射特性由这个小面单元中心点散射特性来表示。小面单元中心点的高度为输入DEM高度。然而实际的仿真中，为使双通道的相关性与实际系统相关性相符，在一个雷达分辨单元内至少放置2×2个小面单元。 

步骤2：地距坐标系到斜距坐标系变换：为降低量化误差的影响，保证分布目标回波在各个采样时刻均匀性，需要将地距坐标系均匀分布目标变换到斜距上均匀分布目标。如图4所示，YOZ平面为雷达视线平面，Y方向为雷达地距方向，Z垂直于地面向上，S是雷达平台位置，A1、A2、A3、A4分别是地距上均匀分布目标，其对应的斜距非均匀分布，不能为雷达采样到。为了解决此问题，需要将地距分布目标转化为斜距均匀分布目标。如图4所示，A1、A2、A3为平地上三个点目标，假设B1，B2在雷达采样门上，那么B3对应斜距B3‘就不能落在下一个采样门。转换时寻找B3’距离最近的采样门B3，并插值获取地距上对应的散射点A3’，这样就实现了地距到斜距的转换。以一段地形上目标点A4为例，其坐标为(y4,z4)，距离其最近距离门为B4，地距向斜距转换的过程为获取该段地形上点B4对应的地距散射点A4’的过程。步骤如下： 

(a)已知地距地形z，计算整个地距线上散射点斜距： 

$R=\sqrt{y^2+{(H-z)}^2}$

(b)寻找散射点A4斜距R4对应的最近雷达采样门R4'： 

${R4}^{\′}=\mathrm{round}\left(R_4\right)=\mathrm{round}(\sqrt{y_4^2+{(H-z_4)}^2}),$ 其中round()表示距离R4最近的采样斜距。 

(c)插值获得R4'对应地距上散射点A4’： 

z'₄＝interp(z,R,R′₄)，其中interp为插值函数。 

这样获得了转换之后高程信息，再由下式计算该点地距坐标： 

$y_4^{\′}=\sqrt{R_4^{\′2}-{(H-z_4^{\′})}^2}$

步骤3：双通道散射图生成： 

场景的散射特性，建立在小面单元物理模型的基础上，如图3所示，小面单元空间几何参数由中心坐标和小面单元的法向量来表征。在OXYZ坐标系(场景坐标系)中，雷达传感器坐标(x_s,y_s,z_s),小面单元中心点坐标(x_f,y_f,z_f),小面单元法向量(a,b,-1)，雷达天线视线向量(x_s-x_f,y_s-y_f,z_s-z_f)与法矢量(a,b,-1)的夹角β(入射角)为： 

$\mathrm{\β}=\frac{\mathrm{\π}}{2}-\arccos \frac{a(x_s-x_f)+b(y_s-y_f)-(z_s-z_f)}{\sqrt{{(x_s-x_f)}^2+{(y_s-y_f)}^2+{(z_s-z_f)}^2}\sqrt{a^2+b^2+1}}$

雷达后向散射特性与此入射角密切相关，通常散射特性可分为确定性部分和随机部分。面散射是由多个点散射体所构成的，本发明采用了点散射模型，这些点散射体是各向同性的散射体，其独立方向性图都非常宽。其与入射角的关系如下： 

σ＝σ₀cosβ 

相干斑的仿真模型主要包括相干斑物理模型和乘积模型两种。相干斑的物理模型就是根据相干斑产生的物理过程进行仿真的模型。相干斑的物理模型认为一个分辨单元内有多个散射点相互干涉形成了相干斑效果，可以通过在一个采样单元内设置多个散射点来完成相干斑仿真，这大大增加了计算量，对于SAR时域的回波仿真将会进一步增大计算量。为降低回波计算量，采用了相干斑乘积模型： 

Z＝A×V 

A是雷达反射截面，V是相干斑噪声。相干斑是一种乘性噪声，它对信号的影响跟信号的大小是有关的，不能简单把它作为一种加性的噪声来处理。 

步骤4：双通道相关性回波数据生成：如图5所示，XYZ为干涉SAR观测场景坐标系，X轴指向速度方向，Y为地距方向，Z垂直地面向上。A1A2是双天线位置，坐标分别为(x₁,y₁,z₁),(x₂,y₂,z₂)，测绘带中任意一点P其坐标为(x_p,y_p,z_p)，那么此目标相对干涉SAR双天线斜距可表示为： 

$\begin{array}{c}{R}_1=\sqrt{{(x_p-x_1)}^2+{(y_p-y_1)}^2+{(z_p-z_1)}^2}\\ R_2=\sqrt{{(x_p-x_2)}^2+{(y_p-y_2)}^2+{(z_p-z_2)}^2}\end{array}$

设雷达发射线性调频信号，波长λ，脉宽T_r，调频率为K，由SAR基本原理，双通道回波信号可表示为： 

$\begin{array}{c}{S}_1=\underset{i}{\overset{N_a}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j}{\overset{N_r}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}_{i,j}{w}_a^2\left({\mathrm{\θ}}_{i,j}\right)w_{r1}^2\left({\mathrm{\θ}}_{i,j}\right)\mathrm{rect}\left\{\frac{\mathrm{\τ}-2R_1(i,j)/c}{T_r}\right\}\exp \{-j\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{R}_1(i,j)\}\exp \left\{\mathrm{j\πK}{(\mathrm{\τ}-\frac{2R_1(i,j)}{c})}^2\right\}\\ S_2=\underset{i}{\overset{N_a}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j}{\overset{N_r}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}_{i,j}{w}_a^2\left({\mathrm{\θ}}_{i,j}\right)w_{r2}^2\left({\mathrm{\θ}}_{i,j}\right)\mathrm{rect}\left\{\frac{\mathrm{\τ}-2R_2(i,j)/c}{T_r}\right\}\exp \{-j\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{R}_2(i,j)\}\exp \left\{\mathrm{j\πK}{(\mathrm{\τ}-\frac{2R_2(i,j)}{c})}^2\right\}\end{array}$

其中N_a,N_r是目标点方位向和距离向尺寸其中t,Δ分别是方位慢时间和距离快时间，λ是发射信号波长，c是光速，σ是目标后向散射系数，w_a(t)w_r(Δ)分别为方位向和距离向天线方向图。 

如图6所示，地距数字高程模型作为输入，与地面网格点分布相对应，计算得到天线1、2地距后向散射系数图如图7、图8所示。图中显示出阴影现象。经过地距和斜距的坐标变换，模拟双通道原始回波数据，经过成像处理后获得双通道SAR图像，如图9和图10所示，将复图像进行共轭复乘取相位，获得干涉相位，如图11所示。 

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (2)

1.一种干涉SAR分布目标仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：步骤1：场景网格划分：将场景划分成众多小面单元，小面单元中心点的高度为输入DEM高度；

步骤2：地距坐标系到斜距坐标系变换：将步骤1中均匀划分的散射点地距坐标变换到斜距上均匀分布坐标，由地距线上地形信息和斜距值，插值获得散射点三维坐标，使其能够被雷达距离门采集到；

步骤3：通过步骤2中插值后得到的小面单元，计算其双通道后向散射图：首先由空间几何关系，计算雷达视线相对小面单元入射角，由点散射模型计算小面单元确定性散射特性，然后由相干斑的乘积模型，仿真SAR图像中的相干斑现象；

步骤4：根据步骤1至步骤3中建立的几何模型和散射模型，生成双通道相关性回波数据。

2.如权利要求1所述的一种干涉SAR分布目标仿真方法，其特征在于，所述步骤2中变换计算方法如下：其中A4为目标点，其坐标为(y4,z4)；

(a)已知地距地形z，计算整个地距线上散射点斜距：

其中H为平台高度，Z是散射点高程，y是地距坐标；

(b)寻找散射点A4斜距R4对应的最近雷达采样门R4'：

${R4}^{\′}=\mathrm{round}\left(R_4\right)=\mathrm{round}(\sqrt{y_4^2+{(H-z_4)}^2}),$ 其中round()表示距离R4最近的采样斜距；

(c)插值获得R4'对应地距上散射点A4’的高程z′₄：

z'₄＝interp(z,R,R′₄)，其中interp为插值函数；

再由下式计算该点地距坐标：

$y_4^{\′}=\sqrt{R_4^{\′2}-{(H-z_4^{\′})}^2}.$

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