CN107015224A - 一种基于高频近似技术的三维目标sar成像仿真方法 - Google Patents

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刘希
李静
刘海韵
平学伟
王峰
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Abstract

本发明公开了一种基于高频近似技术的三维目标SAR成像仿真方法，包括1）根据物理光学方法建立计算SAR回波的模型；2）根据SAR的物理光学回波建立等效电流模型，推导出PO积分；3）建立SAR仿真成像模型，等步骤，本发明能够保证在SAR成像过程中的准确度、模块化和计算效率之间的平衡，通过高频近似方法解决回波问题，数值例子显示计算精度。本发明提出的模拟方法将有助于未来有关目标特征提取和识别的研究具有广阔的前景。

Description

一种基于高频近似技术的三维目标SAR成像仿真方法
技术领域
本发明属于仿真成像技术领域，尤其涉及一种基于高频近似技术的三维目标SAR成像仿真方法。
背景技术
合成孔径雷达(SAR)被认为是一种全天时、全天候的系统。然而，获取测量SAR数据往往有局限性并且昂贵。本发明提出了一种频域聚焦模式合成孔径雷达(SAR)在高频波段三维复杂目标的原始数据模拟方法。该模拟器的输入是三维目标模型和聚束模式SAR系统的参数。由于SAR回波可以被视为入射波照射目标的散射，所以采用高频近似技术来计算散射数据。
合成孔径雷达(SAR)是一种能生成较高分辨率图像的雷达。与多个固定天线不同，SAR可以通过在相对较大面积中移动一个或多个天线来获得极大口径。因此，在方位-方向采用合成孔径技术可以获得高分辨率。在范围-方向，宽波段脉冲传输信号通过采用脉冲压缩技术使范围-分辨率高。SAR由于其高分辨率以及全天候、全天时检测、调查和追踪等能力，在遥感和测绘方面有着广泛的应用。
然而，基于测量SAR数据的研究通常有局限性并且昂贵。SAR模拟器用于任务规划、传感器组织和发展图像开发技术的性能测试、新算法设计、硬件和架构。对于一个SAR模拟系统来说，准确性和计算效率是两个主要指标。传统点目标模拟器无法捕捉到许多现实世界问题的物理学基础。众所周知，SAR回波是入射波照射目标的散射。与点目标模型相比，通过求解麦克斯韦方程，可以更精确地计算回波。处理复杂三维物体散射的另一种方法是借助于数字技术，例如矩量法(MoM)。MoM可以提供复杂介质散射的精确解，而MoM的主要缺点是需要大量的计算时间和存储的巨大内存要求，因为与由此产生的线性系统相关电场积分方程(EFIE)矩阵是既大又密，并且病态的矩阵。于是提出一个快速的数值计算方法，即多层快速多极算法(MLFMA)，是一种计算三维复杂目标散射的有效方法。然而，计算SAR回波数据仍然耗时、耗内存，因为它需要在每个入射方向和频率上反复求解EFIE。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于高频近似技术的三维目标SAR成像仿真方法，能够保证在SAR成像过程中的准确度、模块化和计算效率之间的平衡。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
本发明的一种基于高频近似技术的三维目标SAR成像仿真方法，包括
1)根据物理光学方法建立计算SAR回波的模型；
2)根据SAR的物理光学回波建立等效电流模型，推导出PO积分
3)建立SAR仿真成像模型。
进一步的，所述步骤1)根据物理光学方法建立计算SAR回波的模型具体为：设雷达传送线性调频脉冲为st，
st(t)＝rect(τ)exp{2πfcτ}exp{jπkτ2} (1)
其中，rect表示矩形窗函数、fc表示载波频率，t是缓慢时间，τ表示快速的时间；j是虚数单位，k表示调频率
解调的基带SAR回波信号为：
其中，λ是波长c表示光的速度，R为散射体和天线之间的距离，
其中R0是最接近的范围，v是SAR的速率，t是缓慢时间。
7、进一步的，所述步骤2)根据SAR的物理光学回波建立等效电流模型，推导出PO积分具体为：建立等效电流模型，
其中，J和M表示的电场和磁场的电流。Ei和Hi是入射场，而Es和Hs分别是边界上的散射场,是目标表面元素的单位法向量；
进一步的，步骤3)中建立的SAR仿真成像模型为：
其中，fτ和ft分别是在范围和方位方向的频率坐标，Φ1表示SAR信号的相位，D(ft)参数。
根据式(8)、(9)通过泰勒级数逼近得到
式(10)中第一项为在距离压缩步骤中的已校正线性调频调制；第二项为在方位角压缩过程中的方位角调制校正；第三项为二次距离压缩可能弥补被忽略的高阶项。
本发明的有益效果是：
1、与传统的模拟技术相比，本发明所提出的方法可以显著降低SAR原始数据生成的计算复杂度；
2、本发明在代表散射特性方面表现更加高效，并且在高频波段保持着效率和准确性之间良好的平衡；
3、本发明提出的模拟方法将有助于目标特征提取和识别的研究。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的流程图；
图2是方位角为0°时Ku波段下不受影响的模拟SAR图像；
图3是方位角为90°时Ka波段下不受影响的模拟SAR图像；
图4是X波段下四个立方体的高频近似图像；
图5是X波段下坦克的高频近似图像。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
如图1-图5所示，一种基于高频近似技术的三维目标SAR成像仿真方法，包括以下步骤：
(1)根据物理光学方法建立计算SAR回波的模型；
(2)根据SAR的物理光学回波建立等效电流模型，推导出PO(物理光学)积分；
(3)建立SAR仿真成像模型。
下面对这三个步骤进行详细说明：
(1)建立计算SAR的回波模型：
回波来自“stop-go”模式的条带SAR。假设雷达传送线性调频(LFM)脉冲st
st(t)＝rect(τ)exp{2πfcτ}exp{jπkτ2} (1)
其中rect表示矩形窗函数，fc表示载波频率，而τ表示快速时间。
只考虑SAR信号的相函数，忽略初始相位。我们可以描述解调的基带SAR回波信号为
其中λ是波长和c表示光的速度。散射体和天线之间的距离R可以表示为
其中R0是最接近的范围，v是SAR的速率，t是缓慢时间。(2)中的第一项描述方位调制。它由解调后剩下的相位组成。它完全是载波频率和变化范围到目标的函数。第二项是被双程传送到目标延迟的传输chirp。如果带宽减少到一个单一的频率，第二项会为零，但仍有同样的方位调制。
(2)根据SAR的物理光学回波建立等效电流模型：
如果任何对象被认为是带有恒定能量的多点源，那么容易使用点目标模型，通过方程来计算回波(2)。然而，它在实际环境中并不正确。虽然物理光学方法是高频率的方法，但是它比点目标模型是一个更好的选择，因为目标往往是带电的大物体。通过高频率的假设，PO方法近似计算表面的等效电和磁流。来自物体的散射通过由电场和磁场的电流激发的远场的表面积分计算。有两个假设必须关注：
1、与波长相比，表面上的任意点处的曲率半径是足够大的。
2、表面的电场和磁场电流只存在于由入射波直接照射的区域。
根据PO等价，表面的电场和磁场电流可以通过入射电磁场的切向分量的旋度确定。目标表面上的等效电流的公式是
其中J和M表示的电场和磁场的电流。Ei和Hi是入射场，而Es和Hs分别是边界上的散射场。对于完美导体(PEC)，将和代入(4)和(5)
Mpo＝0 (7)
其中Es是远区散射电场。Z0是自由空间的固有阻抗。
是目标表面元素的单位法向量，r是观察者的点位置向量，是观察方向的单位向量。r’是目标的边界上的辐射源。
(3)建立SAR仿真成像模型：
在范围方向和方位方向的傅里叶变换(2)后,回波的相位被传输到
其中fτ和ft是在范围和方位方向的频率坐标。根据式(10)、(11)通过泰勒级数逼近得到
第一项是在距离压缩步骤中的已校正线性调频调制。第二项是在方位角压缩过程中的方位角调制校正。第三项是二次距离压缩(SRC)可能弥补被忽略的高阶项。这三个术语的补偿程序是RD算法的思想，它可以用来获取SAR图像。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种基于高频近似技术的三维目标SAR成像仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)根据物理光学方法建立计算SAR回波的模型；
2)根据SAR的物理光学回波建立等效电流模型，推导出PO积分；
3)建立SAR仿真成像模型。
2.根据权利要求1所述的一种基于高频近似技术的三维目标SAR成像仿真方法，其特征在于：所述步骤1)根据物理光学方法建立计算SAR回波的模型具体为：设雷达传送线性调频脉冲为st，
st(t)＝rect(τ)exp{2πfcτ}exp{jπkτ2} (1)
其中，rect表示矩形窗函数、fc表示载波频率，t是缓慢时间，τ表示快速的时间；j为虚数单位，k表示调频率；
解调的基带SAR回波信号为：
其中，λ是波长c表示光的速度，R为散射体和天线之间的距离，
其中R0是最接近的范围，v是SAR的速率，t是缓慢时间。
3.根据权利要求1所述的一种基于高频近似技术的三维目标SAR成像仿真方法，其特征在于：所述步骤2)根据SAR的物理光学回波建立等效电流模型，推导出PO积分具体为：建立等效电流模型，
其中，J和M表示的电场和磁场的电流。Ei和Hi是入射场，而Es和Hs分别是边界上的散射场,是目标表面元素的单位法向量。
4.根据权利要求1所述的一种基于高频近似技术的三维目标SAR成像仿真方法，其特征在于：步骤3)中建立的SAR仿真成像模型为：
其中，fτ和ft分别是在范围和方位方向的频率坐标，Φ1表示SAR信号的相位，
D(ft)为参数。
5.根据权利要求4所述的一种基于高频近似技术的三维目标SAR成像仿真方法，其特征在于：
根据式(8)、(9)通过泰勒级数逼近得到
6.根据权利要求5所述的一种基于高频近似技术的三维目标SAR成像仿真方法，其特征在于：式(10)中第一项为在距离压缩步骤中的已校正线性调频调制；第二项为在方位角压缩过程中的方位角调制校正；第三项为二次距离压缩可能弥补被忽略的高阶项。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101923166A (zh) * 2009-06-10 2010-12-22 中国科学院电子学研究所 一种三维复杂目标的合成孔径雷达图像仿真方法

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CN101923166A (zh) * 2009-06-10 2010-12-22 中国科学院电子学研究所 一种三维复杂目标的合成孔径雷达图像仿真方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
彭华: "高频电磁快速仿真及降雨粒子散射特性分析", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑》 *

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