一种金属多边形的合成孔径雷达图像仿真方法及其应用与流程

本发明涉及高频散射计算和合成孔径雷达成像
技术领域：
，进一步涉及公开了一种金属多边形的合成孔径雷达(SyntheticApertureRadar，SAR)图像仿真方法，以及应用上述方法进行人造目标的SAR图像仿真。
背景技术：
：近年来，SAR设备和成像技术不断发展，SAR图像的理解和解译问题倍受关注。为了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工作原理进行SAR图像的仿真。SAR图像仿真已经成为SAR领域的研究热点之一。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，这样的仿真过程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。该方法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。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)和结合光学法(GO)，采用射线追踪的方法，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强度矩阵；c图像构建：根据二维散射矩阵。结合SAR成像算法，进行二维傅立叶反变换，最终的仿真SAR图像。近年来，在以上提到的二维频域方法上发展了一种基于投影映射的方法。由于在实际应用中，通常不需要考虑目标的散射机制随方位角和入射频率变化，近年来，基于投影映射原理的仿真方法逐渐成为SAR图像仿真领域的主流，以投影映射为原理的仿真方法为代表的这类方法简化了SAR图像生成的过程，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，得到最终的仿真SAR图像。针对人造目标的SAR图像仿真问题，尽管人造目标种类较多，结构复杂，但仍然存在一些组成人造目标的典型结构体目标，而针对这些基本结构体的仿真和SAR图像理解可以有效推动SAR图像的应用水平。金属多边形是一类组成人造目标的重要的基本结构体，针对金属多边形的SAR图像仿真方法，二维频域的方法和投影映射的方法针对任何目标均采用统一的计算流程。因此，在传统的方法中，金属多边形的SAR图像仿真方法也采用了上述的步骤。但针对金属多边形的仿真，传统的仿真方法存在两个缺点：第一，二维频域的仿真方法和基于投影映射的方法均将目标表面统一的离散化为十分之一波长的面元，这样的方法对于金属多边形而言无论从建模和散射计算上都存在很大的计算冗余。具体地，建模方面的冗余体现在：金属多边形本身已经是平面结构，离散化的目的就是获得具有平面结构的面元，因此离散化存在了大量的冗余，尤其针对面积较大的多边形结构；散射计算方面的冗余体现在：将目标离散化为若干三角面元或者四边形面元后，每个三角面元与四边形面元均作为散射计算的单元参与计算，而实际上，金属多边形的散射计算可以根据积分公式进行推导，采用解析的算法，因此这样在散射计算上也存在了很大的冗余。第二，金属多边形的结构特殊，合成孔径因素对于该结构的图像特征有着非常重要的影响，而基于投影映射的方法不能反映SAR图像获得过程中合成孔径因素对图像特征的影响，因此，针对金属多边形结构，基于投影映射的SAR图像仿真方法获得的SAR图像会与实际图像存在很大差异。而二维频域方法虽然考虑了合成孔径机制，但其计算量庞大，速度慢。技术实现要素：(一)要解决的技术问题有鉴于此，本发明的目的在于提供一种金属多边形的SAR图像仿真方法及其应用，以解决以上所述的现有技术中至少一种技术问题。(二)技术方案根据本发明的一方面，提供一种金属多边形的合成孔径雷达图像仿真方法，包括步骤：S1：根据雷达入射方向建立三维坐标系，x轴为雷达航线方向，z轴为竖直向上方向，雷达入射方向在yz平面，在该坐标系下，计算成像坐标变换矩阵T；S2：根据成像坐标变换矩阵T和雷达成像参数，令金属N边形第i个顶点Pi对应的SAR图像的距离向像素坐标为Qix，方位向像素坐标为Qiy，计算金属多边形各顶点对应的像素坐标，其中N为金属多边形的边数，i＝1，2，...，N；S3：计算金属多边形各顶点的散射强度Si，i＝1，2，...，N；S4：计算仿真SAR图像对应数据矩阵M，生成仿真SAR图像，优选的，步骤S1中，所述雷达入射方向与z轴张角为θ，成像坐标变换矩阵T计算公式为：T=sinθ0cosθ010-cosθ0sinθ-1.]]>优选的，步骤S2包括子步骤：S21：令多边形有N条边，N个顶点的坐标矢量依次记为：P1，P2，P3，…，PN，N为多边形的边数；S22：令第i个顶点Pi对应的SAR图像的距离向像素坐标为Qix，方位向像素坐标为Qiy，i＝1，2，...，N；S23：设定SAR图像在距离向和方位向的像素单元间隔分别为ρr，ρa，则Qix，Qiy的计算方法为：在上式中，()x表示向量的x分量；()y表示向量的y分量；表示上取整计算。优选的，步骤S3包括子步骤：S31：令多边形第i个顶点对应的散射强度为Si，i＝1，2，...，N且N为多边形的边数；S32：Si的计算公式为：其中，c0为光速，为多边形第i条边的矢量，为该多边形的单位法向矢量，为入射面的单位法向矢量；且各个参数的计算方法如下：w^=k^×n^|k^×n^|.]]>优选的，步骤S4中，M的计算方法为：M(Qix，Qiy)＝Si，i＝1，2…，N。优选的，所述雷达参数包括：工作频率、入射角度、方位向像素单元大小和距离向像素单元大小。根据本发明的另一方面，提供一种人造目标的仿真方法，其特征在于包括：将所述人造目标离散化为金属多边形，对所述金属多边形进行图像仿真，图像仿真方式依照权利要求1-6任一所述方法进行。(三)有益效果通过上述技术方案，可以看出本发明的金属多边形的SAR图像仿真方法及其应用有益效果在于：(1)本发明针对金属多边形的平面结构特点，利用物理光学法，根据SAR工作原理和成像机理推导的结果，给出了一种针对该结构的SAR图像仿真方法，该方法与传统方法相比，避免了冗余的计算量，计算量小，比二维频域与投影映射方法复杂度均具有明显的优势；(2)该方法能在很小的计算量下有效模拟合成孔径机制，克服了投影映射方法不能有效模拟合成孔径机制，也克服了二维频域方法利用高复杂度模拟该机制的缺点。附图说明图1是本发明一实施例的金属多边形的合成孔径雷达图像仿真方法的流程图；图2是本发明一实施例的仿真SAR图像。具体实施方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。参见图1所示，根据本发明的基本构思，提供一种金属多边形的合成孔径雷达图像仿真方法，包括步骤：S1：根据雷达入射方向建立三维坐标系，x轴为雷达航线方向，z轴为竖直向上方向，雷达入射方向在yz平面，在该坐标系下，计算成像坐标变换矩阵T；S2：根据成像坐标变换矩阵T和雷达成像参数，令金属N边形第i个顶点Pi对应的SAR图像的距离向像素坐标为Qix，方位向像素坐标为Qiy，计算金属多边形顶点对应的像素坐标，其中N为金属多边形的边数，i＝1，2，...，N；S3：计算金属多边形各顶点的散射强度Si，i＝1，2，...，N；S4：计算仿真SAR图像对应数据矩阵M，生成仿真SAR图像，本发明关键点在于，针对任意形状的金属多边形结构，利用物理光学法理论的散射计算公式，推导建立了该结构的SAR图像仿真方法，该方法利用了目标的结构特点，克服了平面目标离散化带来的计算冗余问题，比传统方法节省了计算量。由于金属多边形结构是一种具有代表性的组成复杂人造目标的结构单元，因此该方法为人造目标SAR图像仿真的实现提供了一种方法。本发明的目的是针对金属多边形的SAR图像仿真问题，利用物理光学法获得的该结构的散射强度的解析表达，根据合成孔径雷达工作原理，建立一种金属多边形的仿真方法，该方法既能克服已有方法计算冗余的特点，又能使得仿真后的图像够表征金属多边形SAR图像的主要特征。为实现上述目的，本发明提供了一种针对金属多边形的SAR图像仿真方法，该方法的提出是根据SAR工作原理和SAR成像机理，利用针对物理光学法推导得到的金属多边形的散射计算结果，建立的一种该结构的SAR图像仿真方法。该方法不仅计算复杂度低，并且能够有效模拟SAR图像获得过程中的合成孔径机制，实现任意条边的金属多边形的SAR图像仿真。本发明的一种具体实施方式的技术解决方案如下：应说明的是，本发明实际上可以许多不同形式来实施而不应被解释为限制到下文中所阐述的实施例。相反地，所提供的具体实施方式使得本发明将满足适用的法律需求。第一步，根据雷达入射波方向建立场景坐标系：x轴为雷达航线方向，z轴与地面垂直，为竖直向上方向。在该坐标系下，雷达入射方向为yz平面，雷达入射角度与z轴张角为θ，即：雷达入射方向为计算成像坐标变换矩阵T。T的计算公式为：T=sinθ0cosθ010-cosθ0sinθ-1;]]>第二步，根据成像坐标变换矩阵T，计算金属多边形顶点对应的SAR图像中的像素位置。令多边形有N条边，N个顶点对应的坐标矢量依次记为：P1，P2，P3，…，PN，令第i个顶点Pi对应的SAR图像的距离向像素坐标为Qix，方位向像素坐标为Qiy，i＝1，2，...，N。SAR图像在距离向和方位向的像素单元间隔分别为ρr，ρa，则Qix，Qiy的计算方法为：在上式中，()x表示向量的x分量；()y表示向量的y分量；表示上取整计算。第三步，计算金属多边形顶点的散射强度。令第i个顶点对应的散射强度为Si，i＝1，2，...，N；则Si的计算公式为：其中，c0为光速，等于3×108米/秒，为第i条边的矢量，为该多边形的单位法向矢量。为入射面的单位法向矢量。各个参数的计算方法如下：w^=k^×n^|k^×n^|.]]>第四步，计算仿真SAR图像对应数据矩阵M，生成仿真SAR图像。M为二维数组，M的计算方法为：M(Qix，Qiy)＝Si，i＝1，2…，N。基于同一发明构思，还提供一种人造目标的仿真方法，包括：将所述人造目标离散化为金属多边形，对所述金属多边形进行图像仿真，图像仿真方式依照以上任意所述的金属多边形的合成孔径雷达图像方法进行。下面将以金属四边形为例，说明本发明的有效性和优越性。金属多边形的坐标四个顶点坐标分别为：[0，0，0]、[4.5963，3.8567，0]、[0.0968，9.2190，0]、[-6.4279，7.6604，0]；雷达入射角度为145度。则雷达入射方向为：(0.5736，0，-0.8192)根据几何参数，求得的目标坐标到成像坐标的转换矩阵为：T=0.573600.8192010-0.819200.5736]]>雷达成像参数如表1所示：表1参数数值工作频率9.6GHz入射角度145度方位向像素单元大小2.2m距离向像素单元大小1.5m图2是本发明一实施例的仿真SAR图像。根据散射机理和雷达原理，在该场景下，仿真SAR图像(放大图，原始图像大小：512x512)如图2所示。从图中可以看到根据所述的仿真方法，金属多边形四个角点明亮的特征显示出来。因此，本发明实施例具有有效性。下面给出针对该仿真实验的计算复杂度对比与分析：该四边形的面积近似为51平方米，如果利用二维频域的方法仿真，以一个小面元的散射计算为单位计算量，则大约需要：51/(0.03x0.03)＝5.6667×104倍单位计算量，而本方法需要一个单位计算量；如果利用投影映射的方法，以每个分辨单元采样一次的情况下，计算量约为：51/(1.5x2.2)＝15.4，并且，基于投影映射方法获得的金属多边形仿真SAR图像会与实际散射特征存在较大差异。综上，本发明实施例具有优越性。通过上述介绍看出，本发明是针对金属多边形的结构简单具有散射解析解的特点，给出一种针对金属多边形结构的SAR图像仿真方法，通过该方法，既可以避免传统仿真方法中的计算冗余，也可以有效模拟金属多边形在SAR图像中的主要散射特征。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页1 2 3