CN108594230A - 一种海船场景的合成孔径雷达图像仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种海船场景的合成孔径雷达图像仿真方法，将海船场景建模分为海、船两个部分，分别使用基于SAR原始信号的仿真方法模拟舰船部分的回波；利用基于SAR成像的仿真方法模拟海面回波，并分别得到海面的SAR图像强度数据和舰船部分的RCS数据；最后将图像强度数据和RCS数据转换成同一谱域后，进行SAR成像处理以获得海船场景的最终的SAR图像；相比现有技术具有计算效率高、准确性高的优点。

Description

一种海船场景的合成孔径雷达图像仿真方法

技术领域

本发明属于合成孔径雷达领域，特别涉及一种海洋场景图像处理技术。

背景技术

合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)是一种能够全天时、全天候地获取地球表面高分辨率图像的成像雷达，由于合成孔径雷达具有良好的云层穿透性，且不受天气条件的影响，因此它被广泛运用于海陆资源利用、农林环境监测、地质结构勘探、重大灾害评估等领域，尤其在海洋遥感和检测领域发挥着极其重要的作用。由于海面场景合成孔径雷达(SAR)试验的困难，且受硬件设备条件的限制，可用于研究海洋参数反演、舰船检测和识别的海洋舰船场景的测量SAR图像严重缺乏，无法满足实际工程需求。

目标SAR图像仿真是根据SAR成像场景(包括目标)的模型、SAR平台参数以及SAR系统，在一定后向散射模型的基础上，按照雷达成像原理，获得目标SAR图像的过程与方法。目标SAR图像仿真为SAR系统设计与验证、SAR图像几何纠正与地理编码、SAR图像解译和目标识别以及SAR成像处理等多个方面提供了有力的支持。

在SAR图像仿真领域中，文献“Giorgio Franceschetti,Maurizio Migliaccio,and Daniele Riccio,“The sar simulation:an overview,”in Geoscience and RemoteSensing Symposium,1995.IGARSS’95.’Quantitative Remote Sensing for Science andApplications’,International.IEEE,1995,vol.3,pp.2283–2285.”中，乔治法兰切蒂等人将SAR图像仿真方法分为两类：一种是基于SAR原始信号，另一种是基于SAR图像。前者利用散射模型获得回波数据，然后用回波数据的成像处理方法生成SAR图像。该方法考虑了SAR系统的系统参数和成像性能，然而，它将消耗巨大的计算资源，大大降低了效率。后一种仿真方法强调了物体的几何模型和电磁辐射模型，忽略了电磁波和物体之间的相互作用，从而保证了仿真的高效率，该方法能反映模拟物体的纹理和辐射特征，但不能反映SAR系统的成像性能。

文献“许小剑，李晓飞，刁桂杰等，时变海面雷达目标散射现象学模型”中，利用经典的“四路径”回波模型，考虑了海面与舰船目标之间的电磁耦合作用，并将将时变海面的影响考虑在散射模型中，对海船场景的SAR图像进行了仿真，得到了较高的仿真精度。但由于对海船模型整体散射采用数值方法进行求解，计算速度不理想。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出一种海船场景的合成孔径雷达图像仿真方法，可应用于海场景建模，海洋监测技术，海杂波模拟等领域。

本发明采用的技术方案为：一种海船场景的合成孔径雷达图像仿真方法，包括：

S1、建立海面SAR图像强度模型；

S2、建立舰船目标的RCS；

S3、根据步骤S1的海面SAR图像强度模型与步骤S2的舰船目标的RCS，生成SAR图像。

进一步地，步骤S1具体包括以下分步骤：

S11、采用线性滤波方法生成海洋表面模型；

S12、利用SPM计算布拉格波散射模型；

S13、海洋表面的运动调节布拉格波的空间分布是通过倾斜调制、水动力调制和速度聚束调制；根据倾斜调制、水动力调制得到实孔径雷达调制；

根据实孔径雷达调制得到改进的布拉格波散射模型；根据改进的布拉格波散射模型以及速度调制得到图像强度表达式为：

其中，T代表合成孔径时间，ρ_a代表方位分辨率降低系数，R代表斜率范围，V代表SAR平台的运动速度，u_r(x₀)代表海面波浪的轨道速度。

更进一步地，步骤S12所示的布拉格波散射模型表达式为：

其中，k是波数，h是小型海面的均方高度，θ是入射角，θ取值范围为20°到70°，W(·)是菲利普斯光谱函数，α_tr是其对应的偏振系数。

进一步地，所述倾斜调制表达式为：

其中，i是虚数单位，θ代表入射角，k为海浪的波数，k_l＝±ksinΦ为k在雷达视线上的分量，正负号分别对应于雷达左视和右视，VV代表电磁波的极化方式为垂直极化，HH代表电磁波的极化方式为水平极化。

进一步地，所述水动力调制表达式为：

其中，i是虚数单位，μ为松弛因子，k为海浪的波数，w为海浪的角频率，k_l＝±ksinΦ为k在雷达视线上的分量，正负号分别对应于雷达左视和右视。

本发明的有益效果：本发明将海船场景建模分为海、船两个部分，分别使用基于SAR原始信号的仿真方法模拟舰船部分的回波；利用基于SAR成像的仿真方法模拟海面回波，并分别得到海面的SAR图像强度数据和舰船部分的RCS数据；最后将图像强度数据和RCS数据转换成同一谱域后，进行SAR成像处理以获得海船场景的最终的SAR图像；可用于解决传统方式使用单一仿真方法的准确性不高，计算复杂度高的弊端；本发明利用基于SAR成像的仿真方法模拟海面部分，以保证SAR系统的成像性能对舰船的影响，利用基于SAR原始信号的仿真方法模拟舰船部分，以保证海面的纹理和辐射特征，从而使计算效率大大提高、准确性显著增强。

附图说明

图1本发明的方案流程图；

图2本发明具体实施例的海船场景模型；

图3本发明具体实施例中的舰船3D模型；

图4本发明具体实施例的HH极化海船场景仿真结果；

图5本发明具体实施例的VV极化海船场景仿真结果。

具体实施方式

为了方便描述本发明的内容，本文对以下术语进行解释。

术语1：JONSWAP频谱模型

一种估计海浪谱的方法，JONSWAP谱是深水风浪谱，该谱的获得是利用不同风速和风区下测得的谱经分析和拟合得到的，其具体方式见文献“程永存.一种新的风浪谱模型及其在高度计风速反演中的应用[D].中国海洋大学,2007.”

术语2：融合数据的空间频率域成像算法

具体成像算法见文献“Caner Ozdemir,Inverse synthetic aperture radarimaging with MATLAB algorithms,vol.210,John Wiley&Sons,2012.”

本发明的具体实施流程图如图1；最后的海船场景模型显示在图2中，风向是西向西30度，船向西方向60度，风速为7.2米/秒，黄色箭头表示方向，绿色箭头表示风向。本实施例中SAR系统的具体仿真参数如表1所示。

表1 SAR系统参数

S1、海面SAR图像强度模型的建立

S11、采用JONSWAP频谱模型生成海洋表面模型

本发明中采用JONSWAP光谱模型来获得海洋表面模型，海面模型S(k)制定为如公式(10)所示，将菲利普斯参数α＝0.0081，波数k，峰值波数k_p＝0.064，谱峰值因子γ＝3.3，谱峰形参数σ_p，带入公式(10)，得到海面模型S(k)：

其中，α是菲利普斯参数，k是波数，k_p是峰值波数，γ是谱峰值因子，σ_p是谱峰形参数，σ_p由公式(11)求得。

S12、利用SPM计算散射模型

微波和海洋表面之间的电磁相互作用可以被描述为一个双尺度模型(TSM)。TSM假设海洋表面是由大尺度波调制的小尺度波的复合表面。对于低和中等的海洋状态，当入射角度范围为20°到70°时，海洋表面的散射能量主要来自于微波波长的小尺度波，这一现象被称为布拉格散射。布拉格波的散射反射率可以由SPM计算。本实施例中仿真的是低和中等的海洋状态，入射角度为60°，因此可以被称为布拉格散射。布拉格波的散射反射率可以由SPM计算，散射模型如公式(12)所示。

其中，k是波数，h是小型海面的均方高度，θ是入射角，θ取值范围为20°到70°，W(·)是菲利普斯光谱函数，α_tr是其对应的偏振系数。

S13、基于VB理论获得强度数据

考虑大尺度波对布拉格波的调制，基于VB理论，通过倾斜调制、水动力调制和速度聚束调制修正步骤1.2中得到的散射模型。倾斜调制和水动力调制都是线性调制，这两者只影响回波的功率，但不会影响多普勒频率。因此，这两种模式称为实孔径雷达(RAR)调制。通过公式(13)、公式(14)和公式(15)可以得到RAR调制的公式：

R^RAR(k)＝R^t(k)+R^h(k) (13)

其中，R^t(k)代表倾斜调制，R^h(k)代表水动力调制，其具体表达式如下：

其中，i是虚数单位，θ代表入射角，μ为松弛因子，反映小尺度波生成和衰减的快慢，k为海浪的波数，w为海浪的角频率，k_l＝±ksinΦ为k在雷达视线上的分量，正负号分别对应于雷达左视和右视，VV代表电磁波的极化方式为垂直极化，HH代表电磁波的极化方式为水平极化，Φ的取值：对于距离向传播的海浪Φ＝90°，对于方位向传播的海浪Φ＝0°。

然后基于RAR调制对步骤S12中得到的散射模型的表达式进行修改如下式所示：

其中，R^RAR(k_m)和ψ_m分别代表RAR调制的振幅和相位，x_o＝{x₀,y₀}代表空间位置，k_m表示大尺度波的波数。

与倾斜调制和水动力调制不同，速度聚束调制将导致多普勒频移，将导致SAR图像沿方位角的变化。结合速度聚束调制的影响，得到海面图像强度I(x_o)的表达式如公式(17)所示，依据此图像强度表达式可以得到800m×800m的海面仿真图像强度数据。

其中，T代表合成孔径时间，ρ_a代表方位分辨率降低系数，R代表斜率范围，V代表SAR平台的运动速度，u_r(x₀)代表海面波浪的轨道速度。

S2、舰船目标的RCS建立

S21、舰船三维建模

首先根据拟建立的海船场景中的舰船的实际大小，采用CAD建模技术来生成其三维模型。本具体实施例中3D模型是由CAD软件CATIA设计的，舰船的外形轮廓是由它的左视图、俯视图、正视图决定的。然后，通过实体建模技术创建舰船的不同部分。最后，通过将所创建的舰船的各部分三维模型组合在一起，得到了舰船的整体三维模型如图3所示(图3中North表示北向，East表示东向，sailing direction表示航速，wind direction表示风向)，船的长度是1.75米，宽度是3200米。

S22、舰船RCS计算

基于步骤S21得到的舰船的整体三维模型，本步骤利用数值计算的方法进行电磁计算。因为本实施例中这艘船的电尺寸非常大，如果使用典型数值计算的方法进行电磁计算，网格划分的数量将急剧增加到数百万，甚至数十亿，导致大量的计算消耗，考虑到效率和精度的要求，高频电磁计算方法更合适。通过合理的物理近似，PO方法表明散射场是散射面上诱导电流的积分，积分表达式可以写成：

其中，E^S代表散射场，j是虚数单位，k_e是电磁波数，η₀是自由空间中的波阻抗，r是从原点到场点的径向距离，是从原点到场点的单位径向矢量，S'是舰船被电磁波照射的表面，是船的外单位法向量，Hⁱ是舰船表面的入射磁场，r'是从原点到积分点的径向矢量。

基于此，得到舰船RCS数据。

S3、SAR图像生成

基于步骤S1，步骤S2分别获得的海洋表面的强度数据和舰船的RCS数据。进行SAR图像生成，得到海船联合场景的SAR图像。由于数据是在不同的数据域中收集的，因此将海面和舰船的两个数据统一到相同的数据域中，以实现数据联合处理。

由于舰船的RCS数据是以极坐标形式在空间频率域内组织的，通过使用极坐标格式转换，将数据从极坐标形式转换为笛卡尔格式，然后通过插值将其转换为空间频率域。

相应地，海洋表面的强度数据是在空间域中获得的，因此，通过执行二维傅里叶变换，将数据从空间域转换为空间频率域。

在此之后，通过将两数据相加的方式，在空间频率域中融合。最后，利用融合数据的空间频率域成像算法，生成海船场景的SAR图像。

仿真结果图如图4、图5所示，图4是极化方式为HH极化下的海船场景仿真结果图(横坐标range表示距离向，纵坐标Azimuth表示方位向)，图5是极化方式为VV极化下的海船场景仿真结果图(横坐标range表示距离向，纵坐标Azimuth表示方位向)。从结果可以看出，由风引起的海面的纹理明显，这反映了大尺度波对小尺度波的调制。此外，值得注意的是，在VV极化方式下的海洋表面的强度值大于在HH极化方式时的强度值。与此同时，在图像中，可以看到散射中心的分布，最强烈的亮度是在飞船的中间部分，因为飞船上的塔的边缘结构导致了二次散射和强烈的散射能量。由此可以看出，本发明能够同时保证SAR的成像性能对舰船的影响、保证海面的纹理和辐射特征，达到计算效率的提升和仿真准确性的增强。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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权利要求范围之内。

Claims (5)

1.一种海船场景的合成孔径雷达图像仿真方法，其特征在于，包括：

S1、建立海面SAR图像强度模型；

S2、建立舰船目标的RCS；

S3、根据步骤S1的海面SAR图像强度模型与步骤S2的舰船目标的RCS，生成SAR图像。

2.根据权利要求1所述的一种海船场景的合成孔径雷达图像仿真方法，其特征在于，步骤S1具体包括以下分步骤：

S11、采用线性滤波方法生成海洋表面模型；

S12、利用SPM计算布拉格波散射模型；

S13、海洋表面的运动调节布拉格波的空间分布是通过倾斜调制、水动力调制和速度聚束调制；根据倾斜调制、水动力调制得到实孔径雷达调制；

根据实孔径雷达调制得到改进的布拉格波散射模型；根据改进的布拉格波散射模型以及速度调制得到图像强度表达式为：

其中，T代表合成孔径时间，ρ_a代表方位分辨率降低系数，R代表斜率范围，V代表SAR平台的运动速度，u_r(x₀)代表海面波浪的轨道速度。

3.根据权利要求2所述的一种海船场景的合成孔径雷达图像仿真方法，其特征在于，步骤S12所示的布拉格波散射模型表达式为：

其中，k是波数，h是小型海面的均方高度，θ是入射角，θ取值范围为20°到70°，W(·)是菲利普斯光谱函数，α_tr是其对应的偏振系数。

4.根据权利要求3所述的一种海船场景的合成孔径雷达图像仿真方法，其特征在于，所述倾斜调制表达式为：

其中，i是虚数单位，θ代表入射角，k为海浪的波数，k_l＝±ksinΦ为k在雷达视线上的分量，正负号分别对应于雷达左视和右视，VV代表电磁波的极化方式为垂直极化，HH代表电磁波的极化方式为水平极化。

5.根据权利要求4所述的一种海船场景的合成孔径雷达图像仿真方法，其特征在于，所述水动力调制表达式为：

其中，i是虚数单位，μ为松弛因子，k为海浪的波数，w为海浪的角频率，k_l＝±ksinΦ为k在雷达视线上的分量，正负号分别对应于雷达左视和右视。