一种复杂场景的电磁建模仿真方法与流程

本发明涉及一种复杂场景的电磁建模回波仿真方法，属于微波遥感和信号处理的交叉领域。
背景技术：
：文献“地面车辆目标高质量SAR图像快速仿真方法，雷达学报，2015，4(3)：350-360”提出了一种基于射线追踪技术的SAR信号级高效方法，该方法通过构建地面车辆目标SAR仿真场景物理模型，利用射线追踪方法，结合地杂波统计模型，实现对地面粗糙特性的通过SAR成像处理和图像相似度评估形成SAR图像。该方法仅仅对地面上的目标做了建模成像，成像结果仅仅可以看出目标的形态特征，对于地面草地成像结果效果不好，不能清晰地看出草地的形态特征。本发明利用分形插值对山地高程数据作插值处理，以获得小于雷达分辨率的山地数据，然后以嵌入的方式在山地上嵌入目标，来获得目标和山地结合的几何模型，然后在对目标和山地电磁建模时，对山地和目标采用不同的后向散射系数计算方法，结合成像算法，实现复杂场景的电磁建模仿真。技术实现要素：要解决的技术问题为了解决地面车辆目标成像地面特征信息不清晰，目标特征不明显，目标和地形场景区分建模的问题，本发明采取目标场景为山地地形的电磁建模方法，使得场景山地的形态特征清晰地呈现，并且目标的特征也更为清晰。技术方案一种复杂场景的电磁建模仿真方法，其特征在于步骤如下：步骤1：使用Matlab的surf函数将选取的数字高程数据DEM构建成地表的几何模型，然后对地表几何模型进行多次分形插值处理；所述的分形插值处理每次包括两个步骤，分别为：第一步的插值方法为：第二步的插值公式为：上面两式中，Vi，其中i＝1、2、3、4、5表示目标点的高程，H为地形粗糙程度，σ为起伏程度，L为初始格网间距，n为迭代次数，G为服从标准正态分布的随机数；使用Matlab的surf函数将坦克模型的矩阵高程数据构建成坦克的几何模型，然后采用矩阵数据高程叠加的方式，在分形插值后的地表模型中嵌入坦克模型，生成的矩阵数据即为地表和坦克的几何模型，矩阵数据由若干个网格构成，每个网格代表一个目标点；步骤2：利用距离-多普勒信息对目标点进行定位：式3为距离方程，R为SAR到目标点的斜距，为载机的位置矢量，是目标点的位置矢量，c为光速，τ为所接收到的目标回波相对于发射脉冲的时间延迟；式4为多普勒频率方程，fD为观察到的目标回波多普勒频率，为SAR与目标间的相对速度矢量，为SAR到目标点的斜距矢量，矢量方向为SAR指向目标点，λ为SAR所发射的电磁波的波长；式5为地球椭球模型方程，Re＝6378137m是平均赤道半径；Rp＝(1-f)(Re+h)是地球极半径，其中f＝1/298.257为参考椭球体的平坦度因子，h为目标点高程，x、y、z为目标点的坐标信息；依次选取相邻的3个目标点T1、T2、T3，由T1、T2、T3的坐标信息求解由T1、T2、T3组成的小面元的面法向矢量计算SAR到目标点的斜距矢量和小面元矢量形成的夹角即为局部入射角θL；获得局部入射角θL后采用Ulaby模型计算后向散射系数：σ0(dB)＝p1+p2exp(-p3θL)+P4cos(p5θL+P6)(6)P1～P6是根据雷达测量结果整理的经验常数；步骤3：根据后向散射系数计算第i,j个小面单元的后向散射信号：式中G为收发天线增益，θi,j为第i,j个小面单元的局部入射角θL，ri,j为第i,j个小面单元与载机之间的瞬时距离，为SAR信号，t为SAR发射脉冲串的时间，(1为未遮挡，0为被遮挡)为遮蔽函数；将N个小面单元的后向散射信号相加得到的地表和坦克的几何模型的回波信号：步骤4：对回波信号进行二维傅里叶变换，提取幅度值，用Matlab的Imshow函数显示图像。步骤1中进行4次分形插值处理。步骤2中的p1＝-24.855，p2＝26.351，p3＝1.146，p4＝0.204，p5＝0，p6＝0。有益效果本发明提出的一种复杂场景的电磁建模仿真方法，综合现有的合成孔径雷达仿真手段，利用真实场景高程数据，小面元模型，自然地表的电磁散射参数，模拟合成孔径雷达回波信号，采用高程数据差异化处理的建模方式，解决了原来目标和地形场景分开建模的问题，得到了目标结合地形场景的仿真图像，并且成像质量较好，效果清晰。附图说明图1典型地形高程图图2嵌入坦克目标后的几何建模俯视图图3局部入射角几何图图4嵌入坦克目标后的仿真结果图具体实施方式现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：步骤1、使用Matlab的surf函数将选取的数字高程数据DEM构建成地表的几何模型，考虑雷达的分辨率，对地表几何模型进行4次分形插值处理，要让地表模型构成的分辨率小于雷达分辨率。所述的分形插值处理每次包括两个步骤，分别为：第一步的插值方法为：第二步的插值公式为：上面两式中，Vi表示目标点的高程，其中i＝1、2、3、4、5，H为地形粗糙程度，σ为起伏程度，L为初始格网间距，n为迭代次数，G为服从标准正态分布的随机数；使用Matlab的surf函数将坦克模型的矩阵高程数据构建成坦克的几何模型，然后采用矩阵数据高程叠加的方式，在分形插值后的地表模型中嵌入坦克模型，生成的矩阵数据即为地表和坦克的几何模型，矩阵数据由若干个网格构成，每个网格代表一个目标点；如图1所示，对山地高程分辨率为30米网格数据，进行4次插值处理，得到分辨率为1.875m的山地高程网格数据。如图2所示，通过矩阵数据高程叠加的方式，在分形插值后的山地高程中嵌入目标坦克。步骤2、地表和坦克的电磁散射系数的计算：利用R-D信息模型实现目标位置的定位，目标定位后，求解入射电磁波矢量和小面元矢量形成的夹角即为局部入射角，然后根据Ulaby模型获得后向散射系数，具体步骤如下：1)利用R-D(距离-多普勒信息)对目标点定位：式(3)为距离方程，R为SAR到地面目标的斜距，为载机的位置矢量，是目标点的位置矢量，c为光速，τ为所接收到的目标回波相对于发射脉冲的时间延迟。式(4)为多普勒频率方程，fD为观察到的目标回波多普勒频率，为SAR与目标间的相对速度矢量，为SAR到目标点的斜距矢量，矢量方向为SAR指向目标点，λ为SAR所发射的电磁波的波长。式(5)为地球椭球模型方程，Re＝6378137m是平均赤道半径；Rp＝(1-f)(Re+h)是地球极半径，其中f＝1/298.257为参考椭球体的平坦度因子，h为目标点高程，x、y、z为目标点的坐标信息。2)参考图3，利用R-D信息模型实现目标位置的定位后，依次选取相邻的3个目标点T1、T2、T3，由T1、T2、T3的坐标信息求解由T1、T2、T3组成的小面元的面法向矢量计算SAR到目标点的斜距矢量和小面元矢量形成的夹角即为局部入射角θL；3)获得局部入射角后采用Ulaby模型计算后向散射系数。该模型可表示为σ0(dB)＝p1+p2exp(-p3θL)+P4cos(p5θL+P6)(6)式中θL为小面元局部入射角，P1～P6是根据雷达测量结果整理的经验常数。此次取p1＝-24.855，p2＝26.351，p3＝1.146，p4＝0.204，p5＝0，p6＝0。步骤3、模拟场景回波信号：每个小面元等效于一个点目标，依次在距离向和方位向计算场景内所有点目标，所有点目标回波信号累加即为整个场景的回波信号。由于，目标会产生遮挡，因此需要引入遮挡函数，雷达波能够照射的地方为1，不能照射到的地方为0。合成孔径雷达发射的信号是线性调频脉冲串，可以表示为:式(7)中rect(·)为矩形窗函数；fc为载频；k为线性调频率；φ为脉冲内的相位编码，一般采用LFMChirp编码，Tr为脉冲重复周期。因此我们根据雷达方程，引入第i,j个小面单元的后向散射信号为：式(8)中G为收发天线增益，c为光速，θi,j为第i,j个小面单元的局部入射角θL，ri,j为第i,j个小面单元与载机之间的瞬时距离。采用几何光学法，引入遮蔽函数，遮蔽函数的定义如下：因此可以将(8)改为：由此假设仿真由N个小面单元组成，那么对于该地物仿真模型总体回波信号强度是所有小面单元回波信号强度之和，可以记为：步骤4、对回波信号进行二维傅里叶变换，提取幅度值，用Matlab的Imshow函数显示图像。仿真分析：如表1，雷达仿真参数，选取600m*450m的地形场景，采用C波段雷达，由分形插值得到分辨率为1.875m的地物格网数据。表1仿真系统参数名称指标和参数名称指标和参数发射信号载频5.3GHz波长5.66cm信号带宽80MHz距离向分辨率1.875m方位向分辨率1.875m载机高度5000m载机平台速度100m/s雷达波速入射角45度如图4所示，仿真出的地形及坦克特征和图2几何建模是一致的，对应的坦克位置和地形特征清晰地仿真出来，相比于传统的通过软件计算建模的方式，或者单一地形场景建模，本发明将目标和场景利用高程叠加建模的方式，并在计算后向散射系数时对目标和地形场景差异化处理，得到在地形背景下置入目标的场景效果，且图像清晰。当前第1页1 2 3