海面舰船目标SAR成像仿真方法及设备技术

本发明专利技术涉及一种海面舰船目标SAR成像仿真方法及设备，方法包括以下步骤：a、建立SAR信号模型，构建三维目标模型；b、计算SAR回波的后向散射，对回波进行并行处理；c、对海面舰船目标进行雷达图像仿真。本发明专利技术可以对海面与舰船目标进行雷达图像快速一体化仿真。标进行雷达图像快速一体化仿真。标进行雷达图像快速一体化仿真。

【技术实现步骤摘要】
海面舰船目标SAR成像仿真方法及设备


[0001]本专利技术涉及一种海面舰船目标SAR成像仿真方法及设备。

技术介绍

[0002]极化SAR图像的极化特征分析长期以来一直是复杂场景遥感的关注点，其中既有确定性目标，也有随机介质，例如在海上移动的舰船。由于极化特征携带了有关舰船目标方位和几何结构的丰富信息，人们从极化信号中对舰船检测进行了广泛的研究。特别是，通过访问从高分
‑
3和Sentinel
‑
1星载SAR获取的丰富舰船数据集，对开发新的舰船检测算法非常有用。以往对舰船检测的研究几乎都是建立在图像的基础上，在提取特征向量后，将SAR图像的大数据集馈送给检测器或分类器。舰船场景的依赖性会以某种方式持续影响检测和分类率。然而，SAR的姿态和方位很容易受到影响，导致在复杂背景下，单幅SAR图像即使是从稳健的极化特征中检测和分类舰船，仍然是一个挑战。因此，有必要系统地研究复杂场景中的散射机制。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于提供一种海面舰船目标SAR成像仿真方法及设备。
[0004]为实现上述专利技术目的，本专利技术提供一种海面舰船目标SAR成像仿真方法，包括以下步骤：
[0005]a、建立SAR信号模型，构建三维目标模型；
[0006]b、计算SAR回波的后向散射，对回波进行并行处理；
[0007]c、对海面舰船目标进行雷达图像仿真。
[0008]根据本专利技术的一个方面，在所述步骤(b)中，包括：
[0009]步骤1、利用数值AIEM近似获取入射波引起的表面场；
[0010]步骤2、结合射弹射线SBR技术计算二阶再辐射场；
[0011]步骤3、采用几何绕射理论GTD计算合成孔径雷达SAR在合成孔径中收集到的来自边缘和楔形物的绕射场；
[0012]步骤4、在计算后向散射场时，采用基于GPU并行的加速技术对回波进行并行处理。
[0013]根据本专利技术的一个方面，在所述步骤(a)中，假设单色平面电磁波的单位振幅为：
[0014][0015]其中k
i
＝2π/λ是入射空间波束，λ是入射波长，沿波传播方向指向的单位矢量,是从原点到SAR的向量。由于粗糙表面散射而产生的散射场与入射场的关系如下：
[0016][0017]S是由表面参数(粗糙度、介电特性等)和雷达参数确定的散射矩阵。对于后向散
射，
[0018]结合天线增益建立SAR信号模型，SAR回波信号模型为：
[0019][0020]其中E
s
(τ,η)表示散射场，τ和η分别表示快时间和慢时间；表示卷积操作，c是光速，p
r
(
·
)是脉冲函数，a
r
是调频率，f
c
是载频，g
a
是天线增益方向图。R(η)是随着慢时间变化的斜距；
[0021]根据本专利技术的一个方面，天线方向图为：
[0022][0023]其中，η
c
是天线中心照射目标时的时间，β
a
是波束宽度，φ
d
是波束中心和雷达与目标之间的夹角，φ
d
随着慢时间η变化。
[0024]根据本专利技术的一个方面，在所述步骤1中，首先建立局部坐标系如下：
[0025][0026][0027][0028]其中，是指向外表面的单位向量，将入射射线分解为和分量。
[0029]根据本专利技术的一个方面，在完成局部坐标系建立后，由KA方法得到：
[0030][0031][0032]其中，R
v
,R
h
是垂直和水平极化的菲涅耳反射系数；E
i
表示入射电场；H
i
表示入射磁场；表示表面电流；表示表面磁流；
[0033]通过数值AIEM获得照射区域的表面电流密度和磁流密度为：
[0034][0035][0036]其中，
[0037][0038][0039][0040][0041][0042][0043][0044][0045]是曲面散度算子。下标t用于表示传输介质中的量，ε
r
,μ
r
分别表示入射介质和传输介质的介电常数和磁导率之比。
[0046]入射介质和传输介质的格林函数为：
[0047][0048][0049]则
[0050][0051]其中A是照射区域，η
i
是固有阻抗，是从到的距离长度。
[0052]根据表面电流密度，通过Stratton
‑
Chu公式计算散射场。
[0053]根据本专利技术的一个方面，在所述步骤3中，使用PTD计算介质边缘上的衍射电流为：
[0054][0055][0056]其中，为与边界相切的单位向量；γ为边缘与入射光或衍射光方向之间的角度；δ为入射方向和楔块顶面之间的角度；R
v
′
和R
h
′
为修正的表面反射系数；f(
·
)和g(
·
)为衍射系数；
[0057]由衍射电流得出的衍射场为：
[0058][0059]其中，r为边界C到观测点的距离；dl为沿着长度C的微分长度；
[0060]利用衍射域场纠正得到总的散射域E为E
s
：
[0061][0062]根据本专利技术的一个方面，在所述步骤4中，本专利技术采用并行优化方案包括：
[0063]b1、进行光线跟踪并提取出交点信息及其反射方向；
[0064]b2、计算并存储在当前和以前的反弹点之间的距离、多边形的局部坐标变换以及全局坐标变换矩阵；
[0065]b3、计算每个电介质目标网格对入射线的反射系数；
[0066]b4、进行射线波束波传播距离的归一化，平行和垂直电场利用所述步骤(b2)给出的散射域和接收平面的几何矩阵的关系投影到接收平面上；
[0067]b5、使用CUDA并行简化算法对特定SAR视角下的频率分量和目标的不同角所有的散射场进行求和。
[0068]根据本专利技术的一个方面，在所述步骤(c)中，使用条带距离多普勒成像技术对海面背景下的舰船目标进行雷达图像仿真。
[0069]本专利技术提供了一种设备，包括存储介质和处理器，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现海面舰船目标SAR成像仿真方法。
[0070]根据本专利技术的构思，提出一种海面舰船目标的SAR成像仿真方法。该仿真算法是利用数值AIEM模型计算目标的表面场。在计算二阶再辐射场时，采用了射弹射线SBR技术来提高传播路径跟踪效率。采用几何绕射理论GTD计算了合成孔径雷达SAR在合成孔径中收集到的来自边缘和楔形物的绕射场，这些绕射场构成了合成孔径雷达收集到的总散射场。当SAR沿方位方向移动时，当天线波束穿过目标时，会重复进行本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种海面舰船目标SAR成像仿真方法，包括以下步骤：a、建立SAR信号模型，构建三维目标模型；b、计算SAR回波的后向散射，对回波进行并行处理；c、对海面舰船目标进行雷达图像仿真。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤(b)中，包括：步骤1、利用数值先进积分方程(AIEM)计算入射波引起的表面场；步骤2、结合射弹射线SBR技术计算二阶再辐射场；步骤3、采用几何绕射理论GTD计算合成孔径雷达SAR在合成孔径中收集到的来自边缘和楔形物的绕射场；步骤4、在计算后向散射场时，采用基于GPU并行的加速技术对回波进行并行处理。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤(a)中，假设单色平面电磁波的单位振幅为：其中k
i
＝2π/λ是入射空间波束，λ是入射波长，沿波传播方向指向的单位矢量,是从原点到SAR的向量。由于粗糙表面散射而产生的散射场与入射场的关系如下：S是由表面参数(粗糙度、介电特性等)和雷达参数确定的散射矩阵。对于后向散射，结合天线增益建立SAR信号模型，SAR回波信号模型为：其中，E
s
(τ,η)表示散射场，τ和η分别表示快时间和慢时间；表示卷积操作，c是光速，p
r
(
·
)是脉冲函数，a
r
是调频率，f
c
是载频，g
a
是天线增益方向图，R(η)是随着慢时间变化的斜距。4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，天线方向图为：其中，η
c
是天线中心照射目标时的时间，β
a
是波束宽度，φ
d
是波束中心和雷达与目标之间的夹角，φ
d
随着慢时间η变化。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤1中，首先建立局部坐标系如下：下：下：其中，是指向外表面的单位向量，将入射射线分解为和分量。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在完成局部坐标系建立后，由KA方法得到：6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在完成局部坐标系建立后，由KA方法得到：其中，R
v
,R
h
是垂直和水平极化的菲涅耳反射系数；E
...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭宇华，刘新，张闯，王勇，金世超，
申请(专利权)人：北京卫星信息工程研究所，
类型：发明
国别省市：