针对凹腔类结构的SAR图像仿真方法技术

本发明专利技术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。

SAR image simulation method for cavity like structures

The invention discloses a method for SAR image simulation method, the cavity structure includes: setting and simulation parameters; according to the ray group set up a group of simulation parameters on the surface of the concave cavity; the simulation parameters, calculation of concave cavity surface with different azimuth angle corresponding to the ray group back wave; and according to the different directions the corner echo simulation SAR image. The public according to the characteristics of multiple scattering cavity structure, considering the variation of the cavity scattering with azimuth angle, while ignoring the scattering changes with frequency, the establishment of echo expression, SAR simulation image, effective simulation of the cavity structure occurs multiple scattering in the azimuth defocus phenomenon caused by the mechanism realize the effective simulation of the cavity structure, and the simulation method is simple, small amount of calculation, fast simulation speed.

【技术实现步骤摘要】
针对凹腔类结构的SAR图像仿真方法
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。
技术介绍
近年来，合成孔径雷达(SAR，SyntheticApertureRadar)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。
技术实现思路
(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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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：所述方位向像素个数Ma满足：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...

【专利技术属性】
技术研发人员：张月婷，丁赤飚，雷斌，
申请(专利权)人：中国科学院电子学研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11