一种基于地形背景目标的SAR回波模拟方法技术

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。

A method of SAR echo simulation based on terrain background target

A SAR echo simulation method based on terrain background target is disclosed. The method includes the following steps: 3D terrain modeling steps. In the iterative process of MPD algorithm, set the matrix generated by one or more iterations of random midpoint displacement algorithm, and then carry out further iterations to realize 3D terrain modeling; establish the backscatter coefficient of terrain background target In the model step, the backscatter coefficient map of the corresponding terrain unit point is calculated according to the 3D terrain elevation data and radar simulation parameters established in the 3D terrain modeling step; in the SAR point target echo model step, the point target echo signal mathematical model is completed according to the waveform parameters of the radar simulation signal and the radar attitude data; and the point target echo signal mathematical model is calculated according to the point target echo signal The model is convoluted with the backscatter coefficient to obtain the echo signal simulation of the terrain background target.

【技术实现步骤摘要】
一种基于地形背景目标的SAR回波模拟方法
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
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。根据本专利技术的一个方面，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，Kr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Δm+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Δm+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Δm+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Na，距离大小为Nr，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Na/2-1行，第一列之前和最后一列之后都补Nr/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。本专利技术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、本专利技术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，本专利技术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专利技术的实施例，但是应当理解，以下的描述仅仅是示例性的，并且不是要将本专利技术限制到以下实施例。根据本专利技术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，取决于施加在系统本文档来自技高网...

【技术保护点】
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:

【技术特征摘要】
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，Kr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Δm+1＝Guass()作为内部点的高程值...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢建章，李宠，邱冰洁，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司雷华电子技术研究所，
类型：发明
国别省市：江苏,32