CN107356924A - 针对凹腔类结构的sar图像仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种针对凹腔类结构的SAR图像仿真方法，包括：设置和计算仿真参数；根据仿真参数设置一组凹腔口面上的射线组；利用仿真参数，计算不同方位角对应的凹腔口面上的射线组的回波；以及根据不同方位角上的回波，获得仿真SAR图像。本公开针对凹腔类结构多次散射的特征，考虑凹腔散射随方位角度的变化，而忽略其散射随频率的变化，建立回波表达式，获得最终的SAR仿真图像，有效模拟了凹腔类结构发生多次散射而在方位向导致的散焦现象，从机理上实现了对凹腔类结构特征的有效模拟，并且仿真方法简单、计算量小、仿真速度快。
Description
技术领域
本公开属于高频电磁散射计算和SAR图像仿真领域，涉及一种针对凹腔类结构的SAR图像仿真方法。
背景技术
近年来，合成孔径雷达(SAR，Synthetic Aperture Radar)系统和成像技术迅速发展，由于具备全天时、全天候、可穿透的特点，SAR在军事和民用中的多个领域发挥了重要的作用，成为重要的遥感观测手段之一。由于SAR图像是观测场景电磁散射特征的反映，与光学图像的机理和成像几何有着明显的区别，因此SAR图像的理解具有一定的困难。
人造目标的SAR图像理解对于SAR图像的应用具有较为重要的意义。为了从SAR图像中反演人造目标的信息，建立SAR图像和人造目标相关参数之间的关系，目前普遍采用的研究手段是利用散射机理和SAR工作原理开展SAR图像的仿真工作。SAR图像仿真主要包含场景建模、散射计算、图像构建三个步骤。
传统的SAR图像仿真采用二维频域散射系数计算的方法，这类方法需要根据观测条件对所考察的场景进行多角度、多频率条件下的二维散射计算。该方法的主要步骤为：a目标建模：首先将目标表面离散化为三角面元或者四边形面元，面元大小为十分之一波长量级；b散射计算：利用物理光学法(PO)和几何光学法(GO)，计算目标在合成孔径时间内对应的不同入射角度和不同频率下的二维散射系数矩阵；c图像构建：根据二维散射矩阵并结合SAR成像算法，进行二维傅立叶反变换，得到仿真SAR图像。该方法的优点是可以有效模拟目标在雷达飞行中散射的变化和合成孔径因素，缺点为电磁散射计算的复杂性高，二维散射计算量巨大，仿真速度慢。随后有研究对此方法进行了改进，提出了基于投影的仿真方法，这类方法的主要步骤为：a目标建模：首先将目标表面离散化为三角面元或者四边形面元，面元大小为十分之一波长量级；b小面元散射计算：利用物理光学法(PO)和结合光学法(GO)，采用射线追踪的方法，以射线为单位，计算目标的散射系数分布矩阵；c图像构建：获得散射系数的二维分布后与雷达系统冲激响应作卷积计算，得到仿真SAR图像。
凹腔类结构是一类组成人造目标的重要的基本结构体，飞机发动机部分、某些建筑物凹入部分均对应凹腔类结构。由于凹腔类结构的多次散射效应明显，每一次散射均需要计算众多的变量，由此带来了散射强度的计算量大、计算复杂，导致仿真速度慢的问题；而基于投影的仿真方法则忽略了该类目标的散射随方位向变化而对图像特征的影响，从机理上不能有效模拟凹腔类结构的主要特征，并且获得的仿真图像与实际图像特征有较大差异。因此亟需提出一种针对凹腔类结构的SAR图像仿真方法，能够有效模拟凹腔类结构的主要SAR特征，且仿真计算量小、方法简单、仿真速度快。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种针对凹腔类结构的SAR图像仿真方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种针对凹腔类结构的SAR图像仿真方法，包括：设置和计算仿真参数；根据仿真参数设置一组凹腔口面上的射线组；利用仿真参数，计算不同方位角对应的凹腔口面上的射线组的回波；以及根据不同方位角上的回波，获得仿真SAR图像。
在本公开的一些实施例中，仿真参数包括坐标系和成像参数；其中，坐标系为场景坐标系；成像参数包括：雷达入射方向θ，雷达工作中心频率f，距离向的像素间隔为ρr，方位向的像素间隔为ρa，距离向像素个数为Mr，方位向像素个数为Ma，合成孔径角度以及方位向角度矢量
在本公开的一些实施例中，距离向像素个数Mr满足：
方位向像素个数Ma满足：
方位向角度矢量满足：
其中，Lscene_r表示目标距离向尺寸大小；Lscene_a表示目标方位向尺寸大小；R表示场景中心与雷达的距离；λ为雷达工作中心频率对应的波长，数值上等于光速除以雷达工作中心频率f；方位向角度矢量的值为从到的间隔为的等差数列。
在本公开的一些实施例中，根据仿真参数设置一组凹腔口面上的射线组包括：根据距离向的像素间隔和方位向的像素间隔来设置凹腔口面上的射线组的射线起始点位置，使射线组的射线起始点均匀地分布在凹腔口面上，令这些点在凹腔口面所在平面内两个坐标轴上的间隔相等，按照该间隔依次产生射线起始点。
在本公开的一些实施例中，射线组的射线起始点个数为N，满足：
N≥A/Δstep2
其中，A表示凹腔口面的面积，Δstep表示射线起始点在凹腔口面所在平面内两个坐标轴上的间隔。
在本公开的一些实施例中，间隔Δstep满足：
Δstep＝min(ρa，ρr)/4
其中，min(*)为最小值函数。
在本公开的一些实施例中，利用仿真参数，计算不同方位角对应的凹腔口面上的射线组的回波包括：计算第j个方位角对应的入射方向，其中，j＝1，2，3，…，Ma；依次计算第1条、第2条直到N条射线在第j个方位角下的光程及散射强度；以及依据N条射线的光程及散射强度，得到N条射线在第j个方位角下对应的回波。
在本公开的一些实施例中，第j个方位角对应的入射方向满足：
其中，其中，表示向量的第j个分量；
第i条射线在第j个方位角下的散射强度满足：
k＝2πf/c
其中，i＝1，2，3，…，N；m＝2，3，…，Ti-1；表示第i条射线对应的第m个点与凹腔内部相互作用的散射场强；为第i条射线对应光程的第m个点与凹腔交点处局部表面的法向量；为第i条射线对应的第m个点与凹腔相互作用时的入射方向矢量；为射线与第m个点相互作用后的反射方向矢量；c为光速；Z为阻抗；ET为电磁切向分量；HT为磁场切向分量。
在本公开的一些实施例中，将第i条射线在第j个方位角下的散射强度进行修正，得到修正后的散射强度满足：
利用修正后的散射强度得到N条射线在第j个方位角下对应的回波满足：
其中，F(τ，ηi)表示第i条射线对应的回波；ηi为第i条射线对应的SAR图像的距离向像素坐标；表示上取整计算；表示接收极化矢量。
在本公开的一些实施例中，根据不同方位角上的回波，获得仿真SAR图像包括：对回波进行方位向τ上的快速傅里叶变换，得到仿真SAR图像，该仿真SAR图像满足：
I(τ，η)＝FFTτ[F(τ，η)]
其中，I(τ，η)为仿真SAR图像的表达式；F(τ，η)为回波。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开提供的针对凹腔类结构的SAR图像仿真方法，具有以下有益效果：
针对凹腔类结构多次散射的特征，考虑凹腔散射随方位角度的变化，而忽略其散射随频率的变化，建立散射强度和回波表达式，获得最终的SAR仿真图像，有效模拟了凹腔类结构发生多次散射而在方位向导致的散焦现象，从机理上实现了对凹腔类结构特征的有效模拟，并且仿真方法简单、计算量小、仿真速度快。
附图说明
图1为根据本公开实施例针对凹腔类结构的SAR图像仿真方法的流程图。
图2为根据本公开实施例针对凹腔类结构的SAR图像仿真建模的示意图。
图3A为根据本公开实施例针对凹腔类结构的SAR图像仿真方法对凹腔进行仿真实验的腔体模型图。
图3B为根据本公开实施例针对图3A所示腔体进行仿真实验得到的仿真结果示意图。
具体实施方式
本公开提供了一种针对凹腔类结构的SAR图像仿真方法，针对凹腔类结构多次散射的特征，考虑凹腔散射随方位角度的变化，而忽略其散射随频率的变化，建立散射强度和回波表达式，获得最终的SAR仿真图像，有效模拟了凹腔类结构发生多次散射而在方位向导致的散焦现象，从机理上实现了对凹腔类结构特征的有效模拟，并且仿真方法简单、计算量小、仿真速度快。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种针对凹腔类结构的SAR图像仿真方法。
图1为根据本公开实施例针对凹腔类结构的SAR图像仿真方法的流程图。如图1所示，本公开针对凹腔类结构的SAR图像仿真方法，包括：
步骤S102：设置和计算相关仿真参数；
设置的参数包括：坐标系和成像参数；
图2为根据本公开实施例针对凹腔类结构的SAR图像仿真建模的示意图。如图2所示，坐标系为场景坐标系，本实施例中根据雷达运动方向、入射波方向建立了场景坐标系：Y轴为雷达航线方向，Z轴与地面垂直，为竖直向上方向，X轴与Y轴、Z轴均垂直，XYZ构成右手坐标系；
成像参数包括：雷达入射方向θ，距离向的像素间隔为ρr，方位向的像素间隔为ρa，距离向像素个数为Mr，方位向像素个数为Ma，以及合成孔径角度
设置成像参数的方法如下：令波束中心对应的雷达入射波矢量处在XOZ平面，与Z轴正方向张角为θ，即：在波束中心时刻，雷达入射方向为令ρa，ρr分别是方位向和距离向的像素间隔；SAR合成孔径角度为
接下来根据设置好的坐标系和成像参数计算仿真参数，仿真参数包括：距离向像素个数Mr、方位向像素个数Ma以及方位向角度矢量
将距离向仿真场景大小设定为：Lscene_a×Lscene_r，场景中心与雷达距离为R，令power(x)＝min(p)s.t.2P＞x；
那么计算得到距离向像素个数满足：
方位向像素个数满足：
方位向角度矢量满足：
其中，公式(3)表示方位向角度矢量的值为从到的间隔为的等差数列；
那么设回波为：F(τ，η)，其中τ对应方位向，τ＝1，2，3，…，Ma；η对应距离向，η＝1，2，3，…，Mr；则回波组成的二维矩阵大小为：Ma×Mr；
步骤S104：设置初始N条射线；
参照图2来看，令初始射线的射线起始点位置矢量为：这N个点对应初始的N条射线的位置，其设置满足：这N个点均匀地分布在凹腔口面上，令这些点的三维坐标在Y方向和Z方向的间隔均为Δstep，通常取Δstep＝min(ρa，ρr)/4，按照该间隔依次产生N个射线起始点；其中，凹腔口面即图2中示意的网格对应的平面，初始N条射线的个数N是根据凹腔口面面积与间隔Δstep决定的，一般而言，N≥A/Δstep2，A表示凹腔口面的面积，本实施例中N等于凹腔口面面积除以Δstep的平方；
需要说明的是，间隔的取值并不是唯一的，在实际应用中可以根据实际需要进行选取，越小的间隔对应的N值越大，采样点越多。
步骤S106：计算第一个方位角对应的N条射线的散射强度和回波；
第一个方位角对应τ＝1，计算对应的N条射线的散射强度和回波的过程包括：
首先，计算第一个方位角对应的入射方向：
其中，表示方位向角度矢量的第1个分量；
其次，依次计算第1条、第2条直到N条射线在第一个方位角下的光程及散射强度；
最后，依据N条射线的光程及散射强度，得到N条射线在第一个方位角下对应的回波。
其中，N条射线的光程和散射强度的计算方法一致，这里将以第i条(i＝1，2，3，…，N)射线为例，给出第i条射线的光程和散射强度的计算方法：
参照图2所示，针对每条射线，根据镜面反射原理，求解射线弹射点，直到弹射点弹回凹腔口面处，针对第i条射线，依次求出：其中表示第i条射线对应路径的第n个点(n＝1，2，3，…，Ti)的位置矢量，Ti表示第i条射线经过Ti个点后返回了凹腔口面；
利用这Ti个点的坐标，求解该射线的光程：
其中，分别表示位置矢量户的X轴、Z轴分量；
通过以上的计算，针对每条射线，需要记录下光程li以及中间光程路径点对应的位置矢量：
然后，依次计算该射线在第2、3直至第Ti-1个点时的散射强度， 具体计算方法如下：
k＝2πf/c (9)
其中，m＝2，3，…，Ti-1；表示第i条射线对应的第m个点与凹腔内部相互作用的散射场强；为第i条射线对应光程的第m个点与凹腔交点处局部表面的法向量；f为雷达工作中心频率；c为光速；Z为阻抗；ET为电磁切向分量；HT为磁场切向分量；
接着，修正散射强度，获得第i条射线的修正后的散射强度
其中，阻抗、电磁切向分量以及磁场切向分量利用经典的电磁计算方法得出，主要根据凹腔内壁介电常数、入射角度以及入射的情况，利用涂敷介质面元的散射理论计算得出。
N条射线的回波的计算方法也一致，这里将以第i条(i＝1，2，3，…，N)射线为例，给出第i条射线的回波的计算方法：
令第i条射线对应的SAR图像的距离向像素坐标为ηi，根据SAR图像在距离向的像素间隔为ρr，方位向的像素间隔为ρa，则ηi满足：
在公式(11)中，表示上取整计算；表示接收极化矢量。
步骤S108：改变不同的方位角，计算对应的N条射线的散射强度和回波；
依照步骤S106相同的计算方法，改变不同的方位角，依次计算当方位角度取时对应的回波F(τ，η)，其中，τ＝2，…，Ma，此时对应的入射方向满足：
其中，表示向量的第i个分量，i＝1，2，3，…，N；
依次实施以上步骤S102、S104和S106之后，获得不同入射方向对应的N条射线的散射强度和回波，即方位角分别取时，对应的N条射线的散射强度和回波；
步骤S110：根据不同方位角上的回波，获得仿真SAR图像；
根据不同方位角上的回波，对回波F(τ，η)进行方位向τ上的快速傅里叶变换，获得仿真SAR图像，仿真SAR图像的表达式满足：
I(τ，η)＝FFTτ[F(τ，η)] (13)
利用本公开针对凹腔类结构的SAR图像仿真方法进行了仿真实验。
图3A为根据本公开实施例针对凹腔类结构的SAR图像仿真方法对凹腔进行仿真实验的腔体模型图。图3B为根据本公开实施例针对图3A所示腔体进行仿真实验得到的仿真结果示意图。腔体的模型如图3A所示，该仿真实验的考察对象为在圆柱腔内部添加一个半椭球体的腔体。本公开为了显示该实际模型，采用软件作图，形成图3A所示的结构图，其中，圆柱体的半径为0.5m，高度为1.5m，底部半椭球体的底面与圆柱腔的底面重合，椭球的半短轴为0.35m，半长轴为0.5m。各个仿真参数设置如下：雷达的工作频率为9.5GHz，雷达入射方向θ＝150°，方位向和距离向的像素间隔均为0.09m，合成孔径角度从图3B中的仿真结果可知，距离向产生了较为明显的延展现象，同时，散射强度随着距离向的增大而具有减弱的趋势，在距离向较远处出现了散焦现象，这符合实际的物理规律，说明利用本公开的针对凹腔类结构的SAR图像仿真方法进行仿真，可以有效模拟凹腔类结构发生多次散射而在方位向导致的散焦现象，且仿真方法简单、计算量较小。
综上所述，本公开的针对凹腔类结构的SAR图像仿真方法，针对凹腔类结构的散射特点，综合利用物理光学法和几何光学法，根据SAR工作原理和散射计算推导的结果，给出了一种针对凹腔类结构的SAR图像仿真方法，在仿真计算过程中，该方法考虑了形成凹腔类结构SAR图像特征的主要因素：即方位向散射变化对图像特征的影响，而忽略了散射随频率的变化，建立散射强度和回波表达式，获得最终的SAR仿真图像，有效模拟了凹腔类结构发生多次散射而在方位向导致的散焦现象，从机理上实现了对凹腔类结构特征的有效模拟，并且仿真方法简单、计算量小、仿真速度快。
当然，根据实际需要，本公开针对凹腔类结构的SAR图像仿真方法还包含其他的常见方法和步骤，由于同本公开的创新之处无关，此处不再赘述。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种针对凹腔类结构的SAR图像仿真方法，包括：
设置和计算仿真参数；
根据仿真参数设置一组凹腔口面上的射线组；
利用仿真参数，计算不同方位角对应的凹腔口面上的射线组的回波；以及
根据不同方位角上的回波，获得仿真SAR图像。
2.根据权利要求1所述的SAR图像仿真方法，其中，
所述仿真参数包括坐标系和成像参数；
所述坐标系为场景坐标系；
所述成像参数包括：雷达入射方向θ，雷达工作中心频率f，距离向的像素间隔为ρr，方位向的像素间隔为ρa，距离向像素个数为Mr，方位向像素个数为Ma，合成孔径角度以及方位向角度矢量
3.根据权利要求2所述的SAR图像仿真方法，其中，
所述距离向像素个数Mr满足：
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所述方位向角度矢量满足：
其中，Lscene_r表示目标距离向尺寸大小；Lscene_a表示目标方位向尺寸大小；R表示场景中心与雷达的距离；λ为雷达工作中心频率对应的波长，数值上等于光速除以雷达工作中心频率f；方位向角度矢量的值为从到的间隔为的等差数列。
4.根据权利要求1所述的SAR图像仿真方法，其中，所述根据仿真参数设置一组凹腔口面上的射线组包括：
根据距离向的像素间隔和方位向的像素间隔来设置凹腔口面上的射线组的射线起始点位置，使所述射线组的射线起始点均匀地分布在凹腔口面上，令这些点在凹腔口面所在平面内两个坐标轴上的间隔相等，按照该间隔依次产生射线起始点。
5.根据权利要求4所述的所述SAR图像仿真方法，其中，所述射线组的射线起始点个数为N，满足：
N≥A/Δstep2
其中，A表示凹腔口面的面积，Δstep表示射线起始点在凹腔口面所在平面内两个坐标轴上的间隔。
6.根据权利要求5所述的SAR图像仿真方法，其中，所述间隔Δstep满足：
Δstep＝min(ρa，ρr)/4
其中，min(*)为最小值函数。
7.根据权利要求5所述的SAR图像仿真方法，其中，所述利用仿真参数，计算不同方位角对应的凹腔口面上的射线组的回波包括：
计算第j个方位角对应的入射方向，其中，j＝1，2，3，…，Ma；
依次计算第1条、第2条直到N条射线在第j个方位角下的光程及散射强度；以及
依据N条射线的光程及散射强度，得到N条射线在第j个方位角下对应的回波。
8.根据权利要求7所述的SAR图像仿真方法，其中，
所述第j个方位角对应的入射方向满足：
其中，其中，表示向量的第j个分量；
所述第i条射线在第j个方位角下的散射强度满足：
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<mo>-</mo>
<mn>1</mn>
</mrow>
</msub>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mfenced>
k＝2πf/c
其中，i＝1，2，3，…，N；m＝2，3，…，Ti-1；表示第i条射线对应的第m个点与凹腔内部相互作用的散射场强；为第i条射线对应光程的第m个点与凹腔交点处局部表面的法向量；为第i条射线对应的第m个点与凹腔相互作用时的入射方向矢量；为射线与第m个点相互作用后的反射方向矢量；c为光速；Z为阻抗；ET为电磁切向分量；HT为磁场切向分量。
9.根据权利要求8所述的SAR图像仿真方法，其中，将所述第i条射线在第j个方位角下的散射强度进行修正，得到修正后的散射强度满足：
<mrow>
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利用所述修正后的散射强度得到N条射线在第j个方位角下对应的回波满足：
其中，F(τ，ηi)表示第i条射线对应的回波；ηi为第i条射线对应的SAR图像的距离向像素坐标；表示上取整计算；表示接收极化矢量。
10.根据权利要求1至9任一项所述的SAR图像仿真方法，其中，所述根据不同方位角上的回波，获得仿真SAR图像包括：
对回波进行方位向τ上的快速傅里叶变换，得到仿真SAR图像，仿真SAR图像满足：
I(τ，η)＝FFTτ[F(τ，η)]
其中，I(τ，η)为仿真SAR图像的表达式；F(τ，η)为回波。
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