CN115657017A - 电大尺寸目标快速成像的增量长度绕射理论射线成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电大尺寸目标快速成像的增量长度绕射理论射线成像方法，该方法在弹跳射线快速成像的基础上将边缘处产生的绕射场对目标交叉极化二维成像的影响进行了补充考虑，实现了更加准确的目标交叉极化信息的快速成像；同时，对弹跳射线成像中的加速方法应用在边缘绕射成像的仿真过程中，使得本发明提出的方法能够更加快速地获得全极化成像。本发明能够在较短的时间内生成大量电大目标的全极化雷达成像，对传统的射线极化信息进行有效补充，为自动目标识别数据库的创建提供了强有效的保障。

Description

电大尺寸目标快速成像的增量长度绕射理论射线成像方法

技术领域

本发明属于雷达成像领域，具体涉及一种电大尺寸目标快速成像的增量长 度绕射理论射线成像方法。

背景技术

SAR图像舰船目标的自动识别技术的研究需要相当数量的舰船目标样本数 据，由于SAR图像获取的特殊性，完全依靠实测SAR图像建立舰船目标数据库不 仅成本巨大，而且很多情况下对非合作目标建立数据库难以实现。雷达图像仿真 技术是建立舰船目标识别数据库的重要补充手段，通过对舰船目标进行精确几何 建模，然后通过高频电磁算法进行仿真成像，可以方便快速的获取舰船目标在不 同姿态角、不同分辨率下的仿真雷达图像，这样可以低成本的建立目标识别数据 库，具有重大的现实意义。

传统高分辨率雷达仿真图像可以通过一定频带和一定角度范围的回波数据 经过IFFT变换获得，这需要计算不同频率和方位角下的单站回波数据，因此获得 舰船目标的雷达图像相当耗时。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电大尺寸目标快速成像的增量长度绕射理论射 线成像方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种电大尺寸目标快速成像的增量长度 绕射理论射线成像方法，步骤如下：

步骤1、构建电大目标的几何模型，采用三角形面元剖分拟合目标表面外形；

步骤2、通过遮挡判断得到目标表面的照亮区，将照亮区离散的三角形面元 作为射线管单元，以每个三角面元中心点出射射线表示射线管，然后对射线管进 行射线路径追踪和场强追踪，求出每根射线管离开目标表面的场值和出射点的位 置；

步骤3，使用弹跳射线快速成像技术，对电大目标进行雷达图像快速仿真；

步骤4，利用截断的增量长度绕射理论计算边缘绕射场并计算其对成像的影 响；

步骤5，将射线管对成像的贡献以及棱边对成像的贡献相加。

第二方面，本申请还提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在 存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上 述第一方面所述的方法。

第三方面，本申请还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程 序，该程序被处理器执行时实现上述第一方面所述的方法。

第四方面，本申请还提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，该计算 机程序被处理器执行时实现上述第一方面所述的方法。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)本发明通过将边缘绕射对成像 的影响加入到SBR快速成像中，能够在较短的时间内生成大量电大目标的全极 化雷达成像，对传统的射线极化信息进行有效补充，为自动目标识别数据库的创 建提供了强有效的保障；(2)生成的图像包含更多的目标信息，且更加准确。

附图说明

图1为采用三角形面元剖分拟合目标表面外形的示意图。

图2是插值位置示意图。

图3是用于成像的坦克模型。

图4是结合TW-ILDCs的SBR二维快速交叉极化成像结果。

图5是不结合TW-ILDCs的SBR二维快速交叉极化成像结果。

图6是FEKO软件中UTD方法仿真得到的雷达回波二维IFFT变换成像结 果。

具体实施方式

本发明提出一种使用弹跳射线法(SBR)与截断的增量长度绕射理论 (TW-ILDCs)相结合的对电大目标进行交叉极化雷达图像快速仿真的方法，以 获得目标全极化雷达图像数据，具有步骤如下：

步骤1、构建电大目标的几何模型，采用三角形面元剖分拟合目标表面外形， 如图1所示；

步骤2、通过遮挡判断得到目标表面的照亮区，将照亮区离散的三角形面元 作为射线管单元，以每个三角面元中心点出射射线表示射线管，然后对射线管进 行射线路径追踪和场强追踪，求出每根射线管离开目标表面的场值和出射点的位 置；

步骤3，使用SBR快速成像技术，对电大目标进行雷达图像快速仿真；

步骤4，利用TW-ILDCs计算边缘绕射场并将其对成像的影响计算出来。

假设每个棱边对成像结果的贡献为O_nedge(x,z)，棱边总数为N，则射线管与 棱边对成像的总贡献可以表示为：

式中，

为射线管对成像的贡献，M为射线管总数，x,z为射线管坐标； 边缘场波在θ方向和

方向产生的散射场分别为：

其中，E^fw为边缘场波在空间中产生的总散射场；

将

和

统一写成

因此

可表示如下：

上式中，r为远区场距离，

表示的是对应棱边的中心点处的位置矢量，

是观测方向的方向向量，

是射线出射时的方向向量，Z₀为波阻抗，I_T为截断 EEC电流，M_T为截断EEC磁流，l为离散棱边的长度，

由边缘绕射场可推得边缘绕射成像公式如下：

k_x、k_z为波数在x方向和z方向上的分量；

在小角度近似条件下可得上式解析式为：

θ₀为中心角度，Δk＝2πΔf/c,k₀＝2πf₀/c,x_i和z_i分别是射线离开目标时 与目标相交点的坐标的x和z分量，

步骤5，将射线管对成像的贡献以及棱边对成像的贡献相加，定义传播方程 h(C_R,R)＝sin c[k₀θ₀C_R]·sin c[ΔkR],则总的成像公式可表示为：

式中：γ_i为第i根射线管在积分面元上的散射场，

α_i为第i根射线管的散射强度，

为波数k在垂直方向上的单位分量，h(C_R,R)为 射线管对成像的贡献以及棱边对成像的贡献相加后的传播方程，其计算公式为： h(C_R,R)＝sin c[k₀θ₀C_R]·sin c[ΔkR],C_R和R分别为方位向和距离向。(ΔA)_exit表示 的是射线在目标上的积分面元，d_i表示从接触目标到离开目标时第i根射线所传 播的总距离，也就是该射线传播的总路径长度；

将传播方程用卷积形式表示可得：

其中，δ为冲击响应函数；

令

上 式重新写为：

上式中的卷积可由FFT方法快速计算，但由于I(C_R,R)和I'(C_R,R)都是非均 匀采样脉冲序列，所以需要先利用拉格朗日一阶插值算法将I(C_R,R)和I'(C_R,R) 转换为均匀脉冲采样序列I₁(C_R,R)，I₂(C_R,R)：

式中ΔC_R，ΔR分别表示方位向和距离向的分辨率，(β_a)_i～(β_d)_i为插值系数，(m_a)_i,(m_b)_i,(n_a)_i,(n_b)_i代表插值位置，它们的位置为方位向和距离向上距离点 (C_Ri,R_i)最近的四个点，如图2所示。

(m_a)_i,(m_b)_i,(n_a)_i,(n_b)_i表达式如下：

其中

表示小于a的最大整数值，

表示大于b的最小整数值；C_Ri、R_i分别 为插值点(C_Ri,R_i)的坐标值。

令

(β_a)_i～(β_d)_i可表示为：

最后得到新的成像公式为：

其中，IFFT2{·}为二维逆傅里叶变换操作，FFT2{·}为二维傅里叶变换操 作，I₁(x,z)、I₂(x,z)为均匀脉冲采样序列，其对应计算如公式(9)、(10)所示。

下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明。

实施例

本实施例进行了快速成像的典型仿真，如图3所示的某坦克模型长宽高分别 为10m、3.5m、1.5m，入射波从θ＝60°，

方向入射，设置入射波中心频率 为10GHz，带宽为1.875GHz，扫描角度设置为10.74°，距离向和方位向的分辨 率都为0.08m，成像窗口为12m×12m。将成像窗口进行150×150划分。分别用 结合TW-ILDCs的SBR快速全极化成像方法与不加TW-ILDCs的SBR快速成像 方法成像，并且与FEKO软件中的绕场方法计算得到的扫频扫角数据二维IFFT 变换成像结果进行了对比。成像结果如图4、图5和图6所示，利用clean算法 对结合TW-ILDCs的SBR快速成像算法生成的VH和HV图像进行散射中心提 取，散射中心在模型上对应的位置如图7所示。从图4、图5和图6的对比中可 以看到，相较于不考虑边缘绕射的SBR快速成像方法，结合TW-ILDCs的SBR 快速成像方法在VH和HV图像中拥有更多的目标信息，同时结合TW-ILDCs 的SBR快速成像方法与FEKO软件中计算边缘绕射场回波数据进行FFT成像的 结果比较吻合。从图7中可以看到结合了TW-ILDCs的SBR快速成像算法生成的VH和HV极化图像的散射中心点分布在目标的棱边，这些散射中心能够清晰 地体现出目标的结构，这也直观地展现了考虑边缘绕射影响后的效果。所以通过 结合TW-ILDCs的SBR快速成像方法能够生成含有更多目标信息的交叉极化图 像，这些图像作为自动目标识别的数据集更有利于提高目标识别能力。表1为本 发明快速成像方法与SBR成像、FEKO软件仿真成像方法计算时间对比。

表1

从表1可以看出，本发明快速成像方法的计算时间明显优于现有方法。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细， 但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的 普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进， 这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种电大尺寸目标快速成像的增量长度绕射理论射线成像方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、构建电大目标的几何模型，采用三角形面元剖分拟合目标表面外形；

步骤2、通过遮挡判断得到目标表面的照亮区，将照亮区离散的三角形面元作为射线管单元，以每个三角面元中心点出射射线表示射线管，然后对射线管进行射线路径追踪和场强追踪，求出每根射线管离开目标表面的场值和出射点的位置；

步骤3，使用弹跳射线快速成像技术，对电大目标进行雷达图像快速仿真；

步骤4，利用截断的增量长度绕射理论计算边缘绕射场并计算其对成像的影响；

步骤5，将射线管对成像的贡献以及棱边对成像的贡献相加。

2.根据权利要求1所述的电大尺寸目标快速成像的增量长度绕射理论射线成像方法，其特征在于，步骤4具体如下：

假设每个棱边对成像结果的贡献为O_nedge(x,z)，棱边总数为N，则射线管与棱边对成像的总贡献表示为：

式中，

为射线管对成像的贡献，M为射线管总数，x,z为射线管坐标；

边缘场波在θ方向和

方向产生的散射场分别为：

其中，E^fw为边缘场波在空间中产生的总散射场；

将

和

统一写成

因此

可表示如下：

上式中，r为远区场距离，

表示的是对应棱边的中心点处的位置矢量，

是观测方向的方向向量，

是射线出射时的方向向量，Z₀为波阻抗，I_T为截断EEC电流，M_T为截断EEC磁流，l为离散棱边的长度，

由边缘绕射场可推得边缘绕射成像公式如下：

k_x、k_z为波数在x方向和z方向上的分量；

在小角度近似条件下可得上式解析式为：

其中，θ₀为中心角度，Δk＝2πΔf/c,k₀＝2πf₀/c,x_i和z_i分别为射线离开目标时与目标相交点的坐标的x和z分量，

3.根据权利要求2所述的电大尺寸目标快速成像的增量长度绕射理论射线成像方法，其特征在于，步骤5，将射线管对成像的贡献以及棱边对成像的贡献相加，总的成像公式可表示为：

式中，γ_i为第i根射线管在积分面元上的散射场，

α_i为第i根射线管的散射强度，

为波数k在垂直方向上的单位分量，h(C_R,R)为射线管对成像的贡献以及棱边对成像的贡献相加后的传播方程，其计算公式为：h(C_R,R)＝sinc[k₀θ₀C_R]·sinc[ΔkR],C_R和R分别为方位向和距离向；(ΔA)_exit表示射线在目标上的积分面元，d_i表示从接触目标到离开目标时第i根射线所传播的总距离；

将传播方程用卷积形式表示可得：

其中，δ为冲击响应函数；

令

上式重新写为：

利用拉格朗日一阶插值算法将I(C_R,R)和I'(C_R,R)转换为均匀脉冲采样序列I₁(C_R,R)，I₂(C_R,R)：

式中ΔC_R，ΔR分别表示方位向和距离向的分辨率，(β_a)_i～(β_d)_i为插值系数，(m_a)_i,(m_b)_i,(n_a)_i,(n_b)_i代表插值位置，它们的位置为方位向和距离向上距离点(C_Ri,R_i)最近的四个点，(m_a)_i,(m_b)_i,(n_a)_i,(n_b)_i表达式如下：

其中

表示小于a的最大整数值，

表示大于b的最小整数值，C_Ri、R_i分别为插值点(C_Ri,R_i)的坐标值；

令

(β_a)_i～(β_d)_i可表示为：

最后得到新的成像公式为：

其中，IFFT2{·}为二维逆傅里叶变换操作，FFT2{·}为二维傅里叶变换操作，I₁(x,z)、I₂(x,z)为均匀脉冲采样序列。

4.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现权利要求1-3中任一所述的方法的步骤。

5.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现权利要求1-3中任一所述的方法的步骤。

6.一种计算机程序产品，包括计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-3中任一所述的方法的步骤。

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