CN110426688A - 一种基于地形背景目标的sar回波模拟方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种基于地形背景目标的SAR回波模拟方法，所述方法包括以下步骤：三维地形建模步骤，在MPD算法的迭代过程中，设定由随机中点位移算法进行的一次或者多次迭代生成的矩阵，然后进行进一步迭代，以实现三维地形建模；建立地形背景目标的后向散射系数模型步骤，根据三维地形建模步骤中建立的三维地形高程数据和雷达仿真参数计算出对应地形单元点的后向散射系数图；建立SAR点目标回波模型步骤，根据雷达仿真信号的波形参数和雷达姿态数据完成点目标回波信号的数学模型；以及将所述点目标回波信号的数学模型与所述后向散射系数进行卷积操作以获得地形背景目标的回波信号模拟。

Description

一种基于地形背景目标的SAR回波模拟方法

技术领域

本发明属于雷达信息处理技术，涉及一种基于地形背景目标的SAR回波模拟方法。

背景技术

地形是自然界最复杂的景物之一，对地形的仿真一直是计算机图形学的重要研究内容。伴随现代数学、计算机图形学、计算机科学等理论和技术的不断发展，该领域已经历了线划二维地形图、模拟灰度三维地形图、高度真实感三维地形图等几个发展阶段。在计算机图形学技术发展初期，由于计算机处理速度、存贮空间、颜色数、显示器分辨率等限制，人们只能绘制以线划符号表示的二维线划图，其内容单调、信息贫乏、真实感差。20世纪60年代以来，人们通过引用光照模型，绘制具有表而明暗灰长连续变化的地形实体地形图，这种立体图，立体效果更强，有一定真实感，但信自变量仍不足，实用性不强。随着计算机图形显示设备性能的改进，真实感图形的生成算法的不断完善，使地形的三维显示技术进入了高度真实感立体绘制的发展时期。

三维地景是虚拟自然环境中不可缺少的因素，也是虚拟仿真领域中视景系统的重要组成部分。由于三维地形通常与虚拟环境中物体的运动直接有关，更由于它的数据量庞大，因此在建模和实时显示两个方面都有较高的要求。人们在不断提升硬件处理能力的同时，也努力研究如何通过软件算法和技术来降低处理的数据量，以实现虚拟效果和硬件能力之间的平衡。

随着SAR在民用和军事上的广泛应用，关于SAR系统的研究也越来越多，其中SAR回波模拟技术有助于SAR系统的分析设计和验证、辅助SAR处理流程改进、SAR图像处理算法验证等，具有重要的理论意义和实用价值。由于SAR系统在设计分析、成像算法处理与图像识别算法改进中都需要大量的地形回波数据，如果进行实际采集不仅周期长还需要投入大量的资金和人力成本，因此采用计算机对SAR系统及其成像过程进行模拟而生成模拟的回波数据，已成为SAR研究一种经济而重要的方法。

传统的SAR回波模拟方法均采用点目标仿真，存在以下缺点与不足

(1)场景简单、目标类型单一，无法完成复杂地形背景目标回波的模拟，从而无法为整个SAR系统提供多场景下图像处理算法功能、性能验证。

(2)当需要模拟分布目标回波时，只能通过对点目标的回波进行相干叠加，过程计算量大，仿真实时性效率低，更不具有工程实用性。

发明内容

针对传统的SAR回波模拟方法存在的缺点与不足，提出一种基于地形背景目标的SAR回波模拟方法。本方法要解决传统模拟方法的缺点与不足例如包括：

(1)解决点目标仿真场景简单、目标类型单一，无法完成SAR系统多场景下成像处理算法功能、性能验证的目的。

(2)解决分布目标仿真运算量大、仿真效率低，无法工程应用的问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种基于地形背景目标的SAR回波模拟方法，所述方法包括以下步骤：

三维地形建模步骤，在MPD算法的迭代过程中，设定由随机中点位移算法进行的一次或者多次迭代生成的矩阵，然后进行进一步迭代，以实现三维地形建模；

建立地形背景目标的后向散射系数模型步骤，根据三维地形建模步骤中建立的三维地形高程数据和雷达仿真参数计算出对应地形单元点的后向散射系数图；

建立SAR点目标回波模型步骤，根据雷达仿真信号的波形参数和雷达姿态数据完成点目标回波信号的数学模型:

其中，rect()为矩形窗函数，r()表示雷达对点目标的观测距离，c为光速，K_r为调频斜率，λ为波长；以及

将所述点目标回波信号的数学模型与所述后向散射系数进行卷积操作以获得地形背景目标的回波信号模拟：

其中，σ⁰为地形背景目标的后向散射系数。

根据一个实施例，所述三维地形建模步骤包括：

设置初始矩阵，初始化高斯随机发生器Guass()，并设置设迭代次数为m；以及

令当前迭代次数m递增1，并求当前迭代所需计算的所有点的值。

根据一个实施例，求解当前迭代所需计算的所有点的值包括：

(a)利用已赋有值的四邻域点的均值加上中点的偏移量Δ_m+1＝Guass()作为内部点的高程值；

(b)用已计算得到数值的三近邻点的均值加上中点的偏移量Δ_m+1＝Guass()作为边界点的高程值；

(c)对于剩下的点，用值已知的四近邻点的均值加上中点的偏移量Δ_m+1＝Guass()作为该点的高程值；

(d)重复步骤c，直到达到最终的迭代次数M结束；

(e)对生成的地形高程数值进行调整，以形成不同地貌特点，通过对高程负数直接置零形成水域地形。

根据一个实施例，按照下式计算每个地形点的后散射系数：

σ⁰(x,r)＝sin(β)·h(x,r)

其中,β为距离向相邻点之间的连线与波束角之间夹角，h(x,r)为归一化后的高程数值。

根据一个实施例，令一帧点目标回波模拟数据为s₀，方位大小为N_a，距离大小为N_r，所述方法按照下述步骤完成地形背景目标回波模拟输出：

(a)先对点目标回波数据矩阵进行补零，第一行之前和最后一行之后都补N_a/2-1行，第一列之前和最后一列之后都补N_r/2-1列；

(b)把卷积核旋转180度，其中所述卷积核是散射系数矩阵σ⁰，

(c)滑动卷积核，将卷积核的中心位于图像矩阵的每一个元素,将旋转后的卷积核乘以对应的矩阵元素再求和；

(d)按照步骤c遍历点目标矩阵数据每一个元素，完成地形背景目标回波数据输出s₁。

本发明所涉及的一种基于地形背景目标的SAR回波模拟方法例如具有以下几项优点：

1、针对MPD算法的随机性，对MPD算法的迭代初值进行了约束与调整，同时也对算法的迭代过程与参数选取进行了优化，在降低运算量的同时使生成的地形满足预定的地形结构，为系统提供丰富的地形数据。

2、对平台和地形背景目标之间的交会几何关系进行简化，从而在保证阴影和重叠等几何失真的情况下，有效的降低散射系数图的运算过程。

3、利用点目标回波模拟的轻量运算，采用与散射系数图卷积的方式代替传统的逐点相干叠加方式，降低运算量的同时完成地形背景目标回波模拟。

4、预先生成地形背景目标散射系数图或用地形位图的灰度信息代替散射系数图，可以实现的雷达系统的实时处理验证。

5、本发明所涉及的一种基于地形背景目标的SAR回波模拟方法，可以应用于雷达合成孔径成像的系统设计过程，在大大降低SAR数据获取成本的同时能有效提高成像系统设计效率，验证成像算法处理过程并对成像后的图像处理提供多场景地形样本数据。

参考附图，根据以下对示例性实施例的描述，本发明的其他特征将变得清楚。

附图说明

图1是基于地形背景目标的SAR回波模拟方法框图；

图2是优化的MPD算法迭代示例图；

图3是地形剖面与SAR平台几何关系；

图4是地形背景目标回波运算过程示例图；

图5是新方法运算得到的地形背景目标回波；以及

图6是地形背景目标回波经成像算法处理结果。

具体实施方式

以下，参考附图描述根据本发明的实施例，但是应当理解，以下的描述仅仅是示例性的，并且不是要将本发明限制到以下实施例。

根据本发明的方法和设备易受许多变化的影响，为了清楚而简要的描述，方法和设备的许多描述被简化了。许多描述使用了特定标准的结构和术语。然而，所公开的方法和设备可以更广泛地应用。

本领域的技术人员将理解，结合此处公开的实施例所描述的各种示例性的逻辑框、模块、单元和算法步骤可以经常被实施为电子硬件、计算机软件或两者的结合。为了清楚地示出硬件与软件的这一互换性，以下对于各种示例性的组件、框、模块和步骤就其功能进行了整体的描述。这样的功能被实施为硬件还是软件，取决于施加在系统整体上的具体的约束。技术人员可以对于各个具体的系统以不同的方式实施所描述的功能，但这样的实施方式决策不应被解释为导致偏离本发明的范围。此外，单元、模块、框或步骤的功能分组是为了描述简单。具体的功能或步骤可以从一个单元、模块或框移出，而不偏离本发明。

提供对公开的实施方式的以下描述，以使得本领域的任何技术人员能够完成或使用本发明。对这些实施例的各种修改对于本领域的技术人员将是显然的，并且此处所描述的一般原理可以被应用于其它实施例，而不偏离本发明的精神或范围。因此，本技术不限于以下所描述的具体示例。因此，应理解此处给出的说明书和附图代表本发明目前优选的实施方式，并因此代表了由本发明广泛地构想的主题。进一步地，应理解本发明的范围充分地包含其它对本领域的技术人员可能是显然的实施方式，并且因此，本发明的范围只由所附的权利要求限制。

SAR图像是观测面的真实后向散射系数经SAR系统得到回波，然后对回波做成像处理后得到的图像。

根据本发明的方法利用改进的随机中点位移法(Mid-Point Displacement:MPD)生成典型地形地貌，并用其作为地形背景数据建立后向散射系数图，最后运用单点目标信号模拟的轻量化运算得到地形目标的回波信号。

具体的，根据本发明的基于地形背景目标的SAR回波模拟方法包括以下步骤：

1、三维地形建模。对传统MPD算法的迭代过程进行优化改进，通过对算法的迭代初值进行约束与调整以实现地形结构的可控性，这种控制方法的基本思想是：人为设定由随机中点位移算法进行的第一次、第二次或者更多次迭代生成的矩阵，然后在此基础上进行进一步迭代，那么最终迭代产生的地形必然具有人为设定矩阵的结构特征，从而实现三维地形建模；

2、建立地形背景目标的后向散射系数模型。根据第一步建立的三维地形高程数据和雷达仿真参数计算出对应地形单元点的后向散射系数图；

3、建立SAR点目标回波模型。根据雷达仿真信号的波形参数和雷达姿态数据完成点目标回波信号的数学模型:

其中，rect()为矩形窗函数，r()表示雷达对点目标的观测距离，c为光速，K_r为调频斜率，λ为波长。

4、通过孔径中心点目标单元信号与地形背景目标后向散射系数图的卷积操作代替逐点叠加实现地形背景目标的回波信号模拟；

接下来，参考附图对根据本发明的方法进行具体详细的描述。

首先，参考图1根据本发明的基于地形背景目标的SAR回波模拟方法包括如下的步骤：

1、设置相关初始化参数，即初始矩阵初始矩阵影响最终的地形结构，初始化高斯随机发生器Guass()，设迭代次数为M，则最终生成的地形模型大小为(N+1)×(N+1)，N＝2^M。在本发明中，所设置的初始矩阵中的数值越小的方位指示该区域越平坦。

2、令当前迭代次数m递增1，求当前迭代所需计算的所有点的值(即进行中点位移运算)，如图2所示：

(a)先计算图中标出的内部点(ο点)，用已赋有值的四邻域点(·点)的均值加上中点的偏移量Δ_m+1＝Guass()作为内部点的高程值；

(b)再计算图中标出的边界(◆点)，用已计算得到数值的三近邻点(两个·点和一个ο点)的均值加上中点的偏移量Δ_m+1＝Guass()作为边界点的高程值；

(c)最后计算剩下的所有点(未标明的交叉点)，用已有值的四近邻点的均值加上中点的偏移量Δ_m+1＝Guass()作为该点的高程值；

(d)重复步骤c，直到达到最终的迭代次数M结束；

(e)对生成的地形高程数值进行调整，以形成不同地貌特点，通过对高程负数直接置零形成水域地形。具体地，在本发明中，将高程负数直接置零。

3、为了优化地面场景的后向散射系数图运算过程，按照公式3利用三维高程相邻地形点之间的连线与波束角之间夹角的正弦和高程数值，完成每个地形点的后散射系数计算，几何交互关系如图3所示；

σ⁰(x,r)＝sin(β)·h(x,r) [3]

其中,为距离向相邻点之间的连线与波束角之间夹角，为归一化后的高程数值。

4、按照公式1计算出合成孔径时间内回波模拟数据s₀，方位大小N_a，距离大小N_r，把步骤3对应的散射系数矩阵σ⁰作为卷积核，卷积核大小和点目标数据s₀大小一致，二者按照下述步骤完成地形背景目标回波模拟输出，如图4所示；

(a)先对点目标回波数据s₀矩阵进行补零，第一行之前和最后一行之后都补N_a/2-1行，第一列之前和最后一列之后都补N_r/2-1列；

(b)把卷积核旋转180度；

(c)滑动卷积核，将卷积核的中心位于图像矩阵的每一个元素,将旋转后的卷积核乘以对应的矩阵元素再求和；

(d)按照步骤c遍历点目标矩阵数据每一个元素，完成地形背景目标回波数据输出；

图5、图6是一个具体的实施例。图5的横坐标是距离门采样单元，纵坐标是回波数据的幅度。从图5中可以得出：按照新方法运算完成后，在所有的距离单元上都完整的模拟出了对应地形背景目标回波，图6是随机生成的地形背景目标回波经过成像算法处理后的结果，可以得出：本方法在简化MPD算法的同时利用乘加运算代替传统逐点相干叠加的方式，不仅实现了多场景地形背景目标回波模拟，还大大降低了计算过程运算量。

本发明的一个或多个实施例也可以由读出并执行在存储介质(其也可被更完整地称作‘非瞬时计算机可读存储介质’)上记录的计算机可执行指令(例如，一个或多个程序)以执行上述实施例中的一个或多个实施例的功能和/或包括用于执行上述实施例中的一个或多个实施例的功能的一个或多个电路(例如，专用集成电路(ASIC))的系统或装置的计算机来实现，以及通过由系统或装置的计算机例如通过读出并执行来自存储介质的计算机可执行指令以执行上述实施例中的一个或多个实施例的功能并且/或者控制一个或多个电路以执行上述实施例中的一个或多个实施例的功能来执行的方法来实现。计算机可以包括一个或多个处理器(例如，中央处理单元(CPU)、微处理单元(MPU))并且可以包括用来读出并执行计算机可执行指令的单独计算机或单独处理器的网络。计算机可执行指令可以例如从网络或者存储介质被提供给计算机。存储介质可以包括例如硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、分布式计算系统的存储装置、光盘(诸如紧凑盘(CD)、数字多用途盘(DVD)或者蓝光盘(BD)^TM)、闪存装置、存储卡等中的一个或多个。

本发明的实施例还可以通过如下的方法来实现，即，通过网络或者各种存储介质将执行上述实施例的功能的软件(程序)提供给系统或装置，该系统或装置的计算机或是中央处理单元(CPU)、微处理单元(MPU)读出并执行程序的方法。

虽然已经参考示例性实施例描述了本发明，但是应该理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。所附权利要求的范围应被赋予最宽泛的解释以涵盖所有这些修改以及等同的结构和功能。

Claims (5)

1.一种基于地形背景目标的SAR回波模拟方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

三维地形建模步骤，在MPD算法的迭代过程中，设定由随机中点位移算法进行的一次或者多次迭代生成的矩阵，然后进行进一步迭代，以实现三维地形建模；

建立地形背景目标的后向散射系数模型步骤，根据三维地形建模步骤中建立的三维地形高程数据和雷达仿真参数计算出对应地形单元点的后向散射系数图；

建立SAR点目标回波模型步骤，根据雷达仿真信号的波形参数和雷达姿态数据完成点目标回波信号的数学模型:

其中，rect()为矩形窗函数，r()表示雷达对点目标的观测距离，c为光速，K_r为调频斜率，λ为波长；以及

将所述点目标回波信号的数学模型与所述后向散射系数进行卷积操作以获得地形背景目标的回波信号模拟：

其中，σ⁰为地形背景目标的后向散射系数。

2.根据权利要求1所述的基于地形背景目标的SAR回波模拟方法，其特征在于，所述三维地形建模步骤包括：

设置初始矩阵，初始化高斯随机发生器Guass()，并设置设迭代次数为m；以及

令当前迭代次数m递增1，并求当前迭代所需计算的所有点的值。

3.根据权利要求2所述的基于地形背景目标的SAR回波模拟方法，其特征在于，求解当前迭代所需计算的所有点的值包括：

(a)利用已赋有值的四邻域点的均值加上中点的偏移量Δ_m+1＝Guass()作为内部点的高程值；

(b)用已计算得到数值的三近邻点的均值加上中点的偏移量Δ_m+1＝Guass()作为边界点的高程值；

(c)对于剩下的点，用值已知的四近邻点的均值加上中点的偏移量Δ_m+1＝Guass()作为该点的高程值；

(d)重复步骤c，直到达到最终的迭代次数M结束；

(e)对生成的地形高程数值进行调整，以形成不同地貌特点，通过对高程负数直接置零形成水域地形。

4.根据权利要求1所述的基于地形背景目标的SAR回波模拟方法，其特征在于，按照下式计算每个地形点的后散射系数：

σ⁰(x,r)＝sin(β)·h(x,r)

其中,β为距离向相邻点之间的连线与波束角之间夹角，h(x,r)为归一化后的高程数值。

5.根据权利要求4所述的基于地形背景目标的SAR回波模拟方法，其特征在于，令一帧点目标回波模拟数据为s₀，方位大小为N_a，距离大小为N_r，所述方法按照下述步骤完成地形背景目标回波模拟输出：

(a)先对点目标回波数据矩阵进行补零，第一行之前和最后一行之后都补N_a/2-1行，第一列之前和最后一列之后都补N_r/2-1列；

(b)把卷积核旋转180度，其中所述卷积核是散射系数矩阵σ⁰，

(c)滑动卷积核，将卷积核的中心位于图像矩阵的每一个元素,将旋转后的卷积核乘以对应的矩阵元素再求和；

(d)按照步骤c遍历点目标矩阵数据每一个元素，完成地形背景目标回波数据输出s₁。