一种海浪的SAR 信号模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种海浪的SAR信号模拟方法，包括以下步骤：S1：采用海浪谱对海浪进行建模，构造包含多个面元的三维海表面；S2：计算每个所述面元的散射场，然后根据速度聚束模型将所述面元沿距离向的运动效应转化为方位向的偏移，并根据所述散射场和所述方位向的偏移生成海面散射图；S3：对所述海面散射图进行整体运动的SAR信号模拟得到模拟SAR信号，并采用SAR成像算法对所述模拟SAR信号进行处理得到模拟SAR图像。本发明专利技术提供的海浪的SAR信号模拟方法由于考虑了海面运动所引起的多普勒效应，使得能够实现较大风浪情况下海浪的SAR信号模拟，能够为SAR系统的设计提供全面的模拟数据。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及合成孔径雷达的海洋应用领域，特别涉及一种海浪的合成孔径雷达信号模拟方法。
技术介绍
SAR(即合成孔径雷达)是通过一定积分时间内获取的信号来提高其空间分辨率的，对于陆地静止场景，地物与传感器之间的相对位置关系由卫星轨道单方面决定；对于海面场景，海面的动态起伏引起了额外的运动，在成像过程中影响到其成像效果。因此，开展海浪的SAR信号模拟可以提高对整个成像过程的理解，并且对于传感器设计、参数选择等有着重要的意义。·SAR信号模拟是建立在场景散射模型基础上的，在SAR信号模拟过程中，需要考虑信号方式，通过构建场景散射模型与信号方式的关系获得模拟数据。现有技术的海浪的SAR信号模拟方法只考虑了海浪整体的运动，在SAR信号模拟过程中采用的模型是分布表面模型(DS)，而没有考虑海面运动所引起的多普勒效应，因此对海浪的SAR信号进行模拟的结果不够准确，考虑海面运动所引起的多普勒效应的主要模型是速度聚束模型(VB)，其根据是运动物体的SAR成像原理。现有技术中海浪的SAR图像建模主要采用M4S和RM两个建模工具，这两个建模工具的主要工作是分析风浪流相互作用对海面粗糙度(即海面散射)的影响，而没有考虑海面运动所引起的多普勒效应对海面散射的影响，且对SAR系统的成像的滤波效应没有涉及。综上所述，现有技术中海浪的SAR信号模拟方法和海面SAR建模工具虽然在海浪谱及散射模型的基础上能够建立后向散射的模型，实现较小风浪情况下海浪的SAR信号模拟，但是由于在SAR信号模拟方面存在缺乏考虑海面运动所引起的多普勒效应的问题，导致无法实现较大风浪情况下海浪的SAR信号模拟，因此无法为SAR系统的设计提供全面的模拟数据。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的是提供一种海浪的合成孔径雷达信号模拟方法，以解决现有技术的SAR信号模拟方法由于缺乏考虑海面运动所引起的多普勒效应而导致的无法实现较大风浪情况下海浪的SAR信号模拟的问题。为了实现上述目的，本专利技术提供了一种海浪的SAR信号模拟方法，包括以下步骤SI :采用海浪谱对海浪进行建模，构造包含多个面元的三维海表面；S2:计算每个所述面元的散射场，然后根据速度聚束模型将所述面元沿距离向的运动效应转化为方位向的偏移，并根据所述散射场和所述方位向的偏移生成海面散射图；S3 :对所述海面散射图进行整体运动的SAR信号模拟得到模拟SAR信号，并采用SAR成像算法对所述模拟SAR信号进行处理得到模拟SAR图像。作为优选，所述步骤SI中，所述海浪谱表示为积的形式W(K) = S(K)P( θ，K)其中，W(K)为海浪谱；S(K)是一维谱，在长波区域，S(K)采用经典谱；在短波区域，S(K)分为重力毛细波Sgc⑷和毛细波S。⑷，分别对应不同的波数；Ρ(Θ，Κ)是扩展函数;K是海浪波矢，K的模K = 2 π / Λ是海浪波数，A是海浪波长；Θ通过下式定义权利要求1.一种海浪的SAR信号模拟方法，其特征在于，包括以下步骤 Si:采用海浪谱对海浪进行建模，构造包含多个面元的三维海表面； 52:计算每个所述面元的散射场，然后根据速度聚束模型将所述面元沿距离向的运动效应转化为方位向的偏移，并根据所述散射场和所述方位向的偏移生成海面散射图； 53:对所述海面散射图进行整体运动的SAR信号模拟得到模拟SAR信号，并采用SAR成像算法对所述模拟SAR信号进行处理得到模拟SAR图像。2.根据权利要求I所述的海浪的SAR信号模拟方法，其特征在于，所述步骤SI中，所述海浪谱表示为积的形式 W(K) = S (K) P ( Θ，K) 其中，W(K)为海浪谱； S(K)是一维谱，在长波区域，S(K)采用经典谱；在短波区域，S(K)分为重力毛细波Sgc⑷和毛细波S。⑷，分别对应不同的波数； Ρ(θ，κ)是扩展函数； K是海浪波矢，K的模K = 2 / Λ是海浪波数，A是海浪波长； Θ通过下式定义 [Kx=Kco^O [Κ^Κ ηθ 其中，Kx是海浪波矢K在X方向的分量，Ky是海浪波矢K在y方向的分量。3.根据权利要求2所述的海浪的SAR信号模拟方法，其特征在于，所述经典谱为JONSWAP 谱。4.根据权利要求I所述的海浪的SAR信号模拟方法，其特征在于，所述步骤SI中，采用二尺度的海洋表面模型构造所述三维海表面，具体为长波对应大尺度的轮廓，通过比SAR分辨率单元小且远大于电磁波长的平面面元近似，生成随机海面；短波对应小尺度的随机粗糙，通过重力毛细波或毛细波的波形近似；所述重力毛细波或毛细波的波形叠加在所述平面面元上形成海表面模型。5.根据权利要求4所述的海浪的SAR信号模拟方法，其特征在于，所述长波采用涌浪剖面在某个时刻的随机过程来生成，参数包括有效浪高、峰值周期、海浪谱主要方向和海浪谱类型；从长波谱生成所述随机海面的方法是采用随机噪声滤波，具体为首先生成随机复数矩阵N，其实部和虚部均匀分布在O到I之间；然后对应相乘长波谱WJK)的方根与矩阵N得到中间变量Lt = (l : Lt-o = (k)n 在上式进行傅里叶变换之后，海面高度(t = c)(r)表示为 ζ t = O (r) = real (aF_1 [Lt = J (r)) 其中，a是归一化参数，r是海浪在基准面内的位置，包含X和y两个方向上的位置信息，real ( ·)表示取复数的实部。6.根据权利要求I所述的海浪的SAR信号模拟方法，其特征在于，所述步骤S2中，每个所述面元的散射场采用下式计算其中，和￡；是入射场，尽和尽是散射场，R是面元中心点到飞行航线之间的距离；k=Ikl =2π/λ是电磁波数，k是入射电磁波矢，λ是电磁波长；下标H和V分别代表水平和垂直极化部分；上标i和s分别表示入射场和散射场；矩阵X表示后向散射系数，j为虚数单位。7.根据权利要求6所述的海浪的SAR信号模拟方法，其特征在于，所述矩阵X由下式给出 X = FD( Θ j, δ χ, δ y) 其中，91是雷达入射角，Sy是面元沿着方位向χ和地距方向y的面元斜率； 矩阵F表不雷达后向散射由于面兀方向和电磁参量依赖引起的极化效应； 标量D表示为D( Θ i； δ χ, δ y) =/ Aexp(j2k · P ) dA 其中，k是入射电磁波矢，A是面元投影到(x，y)平面的面元面积，而P为从面元中心点到面元上任一点的径向矢量；ρ = (χ-χ0)χ + (γ-γ0)γ + (ζ(χ,γ)-ζ0)ζ 其中，(χ。yci，z0)是面元的中心坐标，j，S分别为χ，y，ζ方向的单位矢量。 z (x, y)SjP δ y 是面元沿着方位向 χ 和地距方向y的面元斜率；zs(x，y)是符合短波谱的随机过程。8.根据权利要求I所述的海浪的SAR信号模拟方法，其特征在于，所述步骤S2中，根据速度聚束模型将所述面元沿距离向的运动效应转化为方位向的偏移具体为 散射面元根据距离向的速度分量进行方位向的调整 其中，R是传感器到所述散射面元的距离，V是传感器速度； 根据海面面元的运动速度，方位向坐标为χ的散射面元将会映射到 而散射面元沿电磁波传播方向的速度为 其中，ω是海浪频率，Wl(K)是长波谱，K是海浪波矢=小+ tan2 Asin2A，δ=ta本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种海浪的SAR信号模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：采用海浪谱对海浪进行建模，构造包含多个面元的三维海表面；S2：计算每个所述面元的散射场，然后根据速度聚束模型将所述面元沿距离向的运动效应转化为方位向的偏移，并根据所述散射场和所述方位向的偏移生成海面散射图；S3：对所述海面散射图进行整体运动的SAR信号模拟得到模拟SAR信号，并采用SAR成像算法对所述模拟SAR信号进行处理得到模拟SAR图像。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：温晓阳，董庆，
申请(专利权)人：中国科学院对地观测与数字地球科学中心，
类型：发明
国别省市：