CN110389342B - 一种基于近场竖直向sar成像的目标与环境耦合分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于近场竖直向SAR成像的目标与环境耦合分析方法,该方法包括以下步骤:S1、目标与环境竖直向SAR成像参数设置;S2、目标与环境竖直向SAR成像测量;S3、回波数据近场竖直向SAR成像处理;S4、基于竖直向SAR成像的目标与环境耦合散射分析。本发明将成像平面由传统的方位向变为俯仰向,实现目标、环境、以及耦合等不同部分的图像分离,能够准确识别与环境存在强耦合的目标主要部件,并分析耦合形成机理,为复杂环境中目标探测、识别、跟踪等提供理论依据和技术支撑。
Description
技术领域
本发明涉及目标与环境特性的技术领域,具体涉及一种基于近场竖直向SAR成像的目标与环境耦合分析方法。
背景技术
目标与地海环境间存在较为丰富的多次散射机制,耦合机理复杂,探索与分析目标与地海环境间的耦合作用机理,能够为复杂环境中目标探测、识别、跟踪等提供理论依据和技术支撑。因此,研究目标与地海环境间耦合特性具有重要意义。采用成像的方式分析目标与环境散射特性,具有直观的特点,有助于准确分析耦合散射形成的机理。
现有技术采用弹跳射线法(SBR)和截断增量长度绕射系数(TW-ILDCs)仿真了粗糙面上目标的SAR图像,通过分析散射中心位置和强度的变化,研究粗糙面和目标间的耦合作用。虽然通过仿真获取的SAR图像已经具有一定置信度,但仿真图像仍与实测图像存在差异,可能会造成目标与环境耦合机理分析不全甚至错误。
现有技术从射线的角度分析了典型结构的多径效应机制,提出SAR图像中多径散射会产生偏移、延展、分割和模糊效应,并结合Terra-SAR图像分析了桥梁、建筑和油罐的多径散射。但该方法研究的主要对象是规模较大的建筑,对于超低空目标等是否适用仍需深入研究。
现有技术通过记录射线追踪建模方法中每根射线的反射路径,将判断为有效射线所对应的目标表面区域作为散射中心的散射来源,得到的散射来源诊断信息可直接与目标网格模型相关,诊断结果更为完整与直观。但是该方法仅诊断了目标的散射中心来源,并未考虑目标与环境的耦合作用,且通过射线追踪的方式并不能保证遍历所有可能的耦合路径。
现有技术根据超低空目标-环境耦合散射机理,采用四路径电磁散射模型,计算获取不同环境下超低空目标的镜像耦合散射。但该方法主要考虑了由目标与环境三次散射形成的镜像耦合,耦合机理考虑不全面。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于近场竖直向SAR成像的目标与环境耦合分析方法,通过收发天线在竖直方向运动形成有效合成孔径,获取测量对象竖直向高分辨,实现目标、环境、以及耦合等不同部分的图像分离,用于目标与环境耦合机理分析,以及耦合散射中心空间分布规律研究。
为达到上述目的,本发明提供了一种基于近场竖直向SAR成像的目标与环境耦合分析方法,其包括以下步骤:
S1、目标与环境竖直向SAR成像参数设置;
S2、目标与环境竖直向SAR成像测量;
S3、回波数据近场竖直向SAR成像处理;
S4、基于竖直向SAR成像的目标与环境耦合散射分析。
上述的基于近场竖直向SAR成像的目标与环境耦合分析方法,其中,所述的S1中,扫频范围根据研究频段进行设置,扫频间隔Δf、竖直向移动间隔Δz、按照如下公式进行设置:
其中,c为电磁波在真空中的传播速度,dmax为目标最大几何尺度,D1=4dmax为目标在距离方向最大可成像长度,h为目标高度,D2=4h为竖直向最大可成像长度,λ为电磁波波长,R为测试距离。
上述的基于近场竖直向SAR成像的目标与环境耦合分析方法,其中,所述的S2中,具体包含以下步骤,
S21、将目标通过塔吊装订至预定高度h,将测试天线固定于竖直扫描架一端,调整竖直扫描架位置,使扫描架中心与目标中心间距离为测试距离R;
S22、根据公式(1)获得的扫频间隔、竖直向间隔,利用一维扫描架带动天线沿竖直向进行匀速直线运动,匀速过程中通过触发方式每间隔一定间隔对目标进行一次宽带扫频测量,同时实时调节天线的照射角度,保证持续照射目标中心位置,获取目标与环境散射回波信号V(k,z),直至完成预定行程;获取的目标回波信号V(k,z)为二维信号,一维随波数k变化,一维随天线位置z变化。
上述的基于近场竖直向SAR成像的目标与环境耦合分析方法,其中,所述的S3中,按照公式(2)对目标回波信号V(k,z)进行近场校正成像处理,获取竖直向-径向距离平面内目标二维强散射中心分布图像;
式中,为天线位于不同扫描位置处获取的一维距离像;(x,z)为天线坐标值;(x′,z′)为目标散射中心坐标值;j为虚数单位;H为测试天线位于扫描行程中心时距背景环境的距离;h为目标中心距背景环境的距离;X0为天线与目标中心之间的水平距离;B为扫频带宽;kB为宽带扫频信号对应的波数差;C为光速;z1为扫描行程起始位置,以扫描行程中心为0点;z2为扫描行程终止位置;ls为强散射中心与天线实际相对运动轨迹;G为天线方向图;为天线中心与目标强散射中心之间形成的入射角度;为天线中心对目标中心的入射角度;k为波数,λ为电磁波波长;kmin为该波段内最低频率对应的波数;V(k,z)为目标回波信号;为坐标为(x′,z′)二维像点散射矢量。
上述的基于近场竖直向SAR成像的目标与环境耦合分析方法,其中,所述的S4中,根据S3获取的目标与环境竖直向SAR图像,分别识别目标、环境以及耦合散射,并进行耦合形成机理分析,具体包含以下步骤:
S41,目标散射中心识别:根据高频散射机理分析目标主要部件散射特性,结合各部件间相互位置关系,在SAR图像中识别目标对应的散射中心;
S42,环境散射中心识别:在竖直向SAR图像中,背景环境散射表现为一条亮线,其亮度取决于背景环境后向散射强度;
S43,耦合散射中心识别:目标与背景环境耦合主要由二次散射和三次散射形成,其中二次散射路径为:天线-目标-环境-天线,三次散射路径为:天线-环境-目标-环境-天线;针对S41中得到的目标散射中心,由二次散射形成的耦合位于该目标散射中心下方代表背景环境的亮线上,距目标散射中心距离为h,得目标高度;由三次散射形成的耦合位于该目标散射中心下方距离2h处,得镜像位置;
S44,按照S43方法,根据目标散射中心是否在对应位置存在耦合散射中心,依次判断其代表的目标主要部件是否与环境形成二次、三次强耦合,并给出强耦合散射中心的空间分布情况。
相对于现有技术,本发明具有以下有益效果:
本发明所提供的一种基于近场竖直向SAR成像的目标与环境耦合分析方法,利用目标与环境竖直向SAR成像测量的方法,分析目标与环境的耦合散射,该方法能够实现目标、环境、以及耦合等不同部分的图像分离,能够准确识别与环境存在强耦合的目标主要部件,并分析耦合形成机理,为复杂环境中目标探测、识别、跟踪等提供理论依据和技术支撑。
附图说明
图1为本发明中的一种基于近场竖直向SAR成像的目标与环境耦合分析方法的流程图;
图2为本发明中目标与环境近场竖直向SAR成像测量示意图;
图3为本发明中金属球与平静水面实测竖直向SAR成像结果。
具体实施方式
以下结合附图通过具体实施例对本发明作进一步的描述,这些实施例仅用于说明本发明,并不是对本发明保护范围的限制。
如图1和图2所示,为本发明所提供的一种基于近场竖直SAR成像的目标与环境耦合分析方法,包含以下步骤:
S1、目标与环境竖直向SAR成像参数设置;
S2、目标与环境竖直向SAR成像测量;
S3、回波数据近场竖直向SAR成像处理;
S4、基于竖直向SAR成像的目标与环境耦合散射分析。
所述的S1中,扫频范围f根据研究频段进行设置,扫频间隔Δf、竖直向移动间隔Δz、按照如下公式进行设置:
其中,c为电磁波在真空中的传播速度,dmax为目标最大几何尺度,D1=4dmax为目标在电磁波入射方向最大可成像长度,h为目标高度,D2=4h为竖直向最大可成像长度,λ为电磁波波长,R为测试距离。
所述的S2中,具体包含以下步骤,
S21、将目标通过塔吊装订至预定高度h,将测试天线固定于竖直扫描架一端,调整竖直扫描架位置,使扫描架中心与目标中心间距离为测试距离R;
S22、根据公式(1)获得的扫频间隔、竖直向间隔,利用一维扫描架带动天线沿竖直向进行匀速直线运动,匀速过程中通过触发方式每间隔一定间隔对目标进行一次宽带扫频测量,同时实时调节天线的照射角度,保证持续照射目标中心位置,获取目标与环境散射回波信号V(k,z),直至完成预定行程。获取的目标回波信号V(k,z)为二维信号,一维随波数k变化,一维随天线位置z变化。
所述的S3中,按照公式(2)对目标回波信号V(k,z)进行近场校正成像处理,获取竖直向-径向距离平面内目标二维强散射中心分布图像。
式中,为天线位于不同扫描位置处获取的一维距离像;(x,z)为天线坐标值;(x′,z′)为目标散射中心坐标值;j为虚数单位;H为测试天线位于扫描行程中心时距背景环境的距离;h为目标中心距背景环境的距离;X0为天线与目标中心之间的水平距离;B为扫频带宽;kB为宽带扫频信号对应的波数差;C为光速;z1为扫描行程起始位置(以扫描行程中心为0点);z2为扫描行程终止位置;ls为强散射中心与天线实际相对运动轨迹;G为天线方向图;为天线中心与目标强散射中心之间形成的入射角度;为天线中心对目标中心的入射角度;k为波数,λ为电磁波波长;kmin为该波段内最低频率对应的波数;V(k,z)为目标回波信号;为坐标为(x′,z′)二维像点散射矢量。
所述的S4中,根据步骤S3获取的目标与环境竖直向SAR图像,分别识别目标、环境以及耦合散射,并进行耦合形成机理分析,具体包含以下步骤,
S41,目标散射中心识别:根据高频散射机理分析目标主要部件散射特性,结合各部件间相互位置关系,在SAR图像中识别目标对应的散射中心;
S42,环境散射中心识别:在竖直向SAR图像中,背景环境散射表现为一条亮线,其亮度取决于背景环境后向散射强度;
S43,耦合散射中心识别:目标与背景环境耦合主要由二次散射和三次散射形成,其中二次散射路径为“天线-目标-环境-天线”,三次散射路径为“天线-环境-目标-环境-天线”。针对步骤S41中得到的目标散射中心,由二次散射形成的耦合位于该目标散射中心下方代表背景环境的亮线上,距目标散射中心距离约为h,即目标高度;由三次散射形成的耦合位于该目标散射中心下方距离约2h处,即镜像位置;
S44,按照步骤S43方法,根据目标散射中心是否在对应位置存在耦合散射中心,依次判断其代表的目标主要部件是否与环境形成二次、三次强耦合,并给出强耦合散射中心的空间分布情况。
进一步,为了验证本发明提供的一种基于近场竖直向SAR成像的目标与环境耦合分析方法的正确与适用性,本实施例中,进行了金属球与平静水面的竖直向SAR成像测量,并进行了耦合散射分析。其中,金属球直径0.4m,距水面高度1m,天线距金属球水平距离20m,天线竖直向的扫描范围为1.5m~4m,间隔0.01m,天线位于扫描高度中心时,照射目标擦地角为5°,扫频范围14GHz~18GHz,频率间隔2.5MHz,VV极化。
对测量数据进行竖直向SAR成像处理,结果如图3所示。其中,位于纵向距离0m、高度距离1m处标识为1的散射中心为金属球;位于纵向距离0m、高度距离0m处标识为2的散射中心,为由金属球与水面二次散射形成的耦合散射中心,其与目标散射中心距离约1m,约等于目标高度;位于纵向距离0m、高度距离-1m处标识为3的散射中心,为由金属球与水面三次散射形成的耦合散射中心,其位于目标散射中心下方约2m处,即目标镜像位置。由于擦地角较小,平静水面后向散射较弱,图像中水面未形成明显亮线。
综上所述,本发明所提供的,与现有技术相比,具有以下优点和有益效果:将成像平面由传统的方位向变为俯仰向,实现了目标、环境、以及耦合等不同部分的图像分离;能够准确识别与环境存在强耦合的目标主要部件,并分析耦合形成机理,为复杂环境中目标探测、识别、跟踪等提供理论依据和技术支撑。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍,但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后,对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此,本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (5)
1.一种基于近场竖直向SAR成像的目标与环境耦合分析方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、目标与环境竖直向SAR成像参数设置;
S2、目标与环境竖直向SAR成像测量;
S3、回波数据近场竖直向SAR成像处理;
S4、基于竖直向SAR成像的目标与环境耦合散射分析。
3.如权利要求1所述的基于近场竖直向SAR成像的目标与环境耦合分析方法,其特征在于,所述的S2中,具体包含以下步骤,
S21、将目标通过塔吊装订至预定高度h,将测试天线固定于竖直扫描架一端,调整竖直扫描架位置,使扫描架中心与目标中心间距离为测试距离R;
S22、根据公式(1)获得的扫频间隔、竖直向间隔,利用一维扫描架带动天线沿竖直向进行匀速直线运动,匀速过程中通过触发方式每间隔一定间隔对目标进行一次宽带扫频测量,同时实时调节天线的照射角度,保证持续照射目标中心位置,获取目标与环境散射回波信号V(k,z),直至完成预定行程;获取的目标回波信号V(k,z)为二维信号,一维随波数k变化,一维随天线位置z变化。
4.如权利要求1所述的基于近场竖直向SAR成像的目标与环境耦合分析方法,其特征在于,所述的S3中,按照公式(2)对目标回波信号V(k,z)进行近场校正成像处理,获取竖直向-径向距离平面内目标二维强散射中心分布图像;
式中,为天线位于不同扫描位置处获取的一维距离像;(x,z)为天线坐标值;(x′,z′)为目标散射中心坐标值;j为虚数单位;H为测试天线位于扫描行程中心时距背景环境的距离;h为目标中心距背景环境的距离;X0为天线与目标中心之间的水平距离;B为扫频带宽;kB为宽带扫频信号对应的波数差;C为光速;z1为扫描行程起始位置,以扫描行程中心为0点;z2为扫描行程终止位置;ls为强散射中心与天线实际相对运动轨迹;G为天线方向图;为天线中心与目标强散射中心之间形成的入射角度;为天线中心对目标中心的入射角度;k为波数,λ为电磁波波长;kmin为该波段内最低频率对应的波数;V(k,z)为目标回波信号;为坐标为(x′,z′)二维像点散射矢量。
5.如权利要求1所述的基于近场竖直向SAR成像的目标与环境耦合分析方法,其特征在于,所述的S4中,根据S3获取的目标与环境竖直向SAR图像,分别识别目标、环境以及耦合散射,并进行耦合形成机理分析,具体包含以下步骤:
S41,目标散射中心识别:根据高频散射机理分析目标主要部件散射特性,结合各部件间相互位置关系,在SAR图像中识别目标对应的散射中心;
S42,环境散射中心识别:在竖直向SAR图像中,背景环境散射表现为一条亮线,其亮度取决于背景环境后向散射强度;
S43,耦合散射中心识别:目标与背景环境耦合主要由二次散射和三次散射形成,其中二次散射路径为:天线-目标-环境-天线,三次散射路径为:天线-环境-目标-环境-天线;针对S41中得到的目标散射中心,由二次散射形成的耦合位于该目标散射中心下方代表背景环境的亮线上,距目标散射中心距离为h,得目标高度;由三次散射形成的耦合位于该目标散射中心下方距离2h处,得镜像位置;
S44,按照S43方法,根据目标散射中心是否在对应位置存在耦合散射中心,依次判断其代表的目标主要部件是否与环境形成二次、三次强耦合,并给出强耦合散射中心的空间分布情况。
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Publications (2)
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