一种适用于地形起伏场景下的SAR时域快速回波模拟方法

本发明属于雷达成像，尤其涉及一种适用于地形起伏场景下的sar时域快速回波模拟方法。

背景技术：

1、雷达能全天时探测远距离的目标，且不受雾、云和雨的阻挡，具有全天候、全天时的特点，并有一定的穿透能力。因此，它不仅成为军事上必不可少的电子装备，而且广泛应用于社会经济发展和科学研究。合成孔径雷达(sar)是上个世纪50年达发展起来的新型雷达系统，它满足了对于成像和高分辨率的需求，有着广阔的应用前景。在进行新的雷达系统方案设计、算法研究和系统验证时需要符合特定参量要求的原始回波数据，而这无法全部通过系统的实际飞行试验获得。通过模拟来获得所需要的原始回波信号是一个重要的解决手段和研究方向。雷达快速回波模拟技术通过仿真的方法高效的获得大量的各种条件下的回波数据，用于sar成像算法的开发与验证，sar系统参数确定，可以大大加快系统研究进度，规避研发风险，同时较少的飞行实验也可节省研发经费，降低成本。

2、sar的回波仿真方法有许多，基本的有基于同心圆的时域生成方法(time-domainalgorithm，tda)和基于方位频域(frequency-domain algorithm，fda)处理的数据生成方法。时域回波仿真方法是最传统，也是最容易理解的方法，相比于频域回波仿真方法，时域回波仿真方法精度高，且易于运动误差的补偿，在区域目标仿真中有着广泛的运用。时域回波仿真在工作时间内需要计算每个脉冲发射时刻飞行平台和地面目标的距离，计算出每个点目标的原始回波数据并通过叠加得到整个区域的面目标回波数据。时域算法物理概念清晰，仿真精度高，易于添加运动误差模型，但计算复杂度高，仿真速度较慢，对于单点目标或点阵目标的仿真来说计算量可以接受，但对于计算复杂度高的大场景面目标的回波仿真并不适用。sar回波频域仿真算法主要就是将目标的散射系数转换到频域，用频域的目标散射函数乘上雷达系统的冲击响应，实现时域的卷积效果，获取回波数据。而基于方位频域处理的方法通常需要满足或近似满足回波信号方位不变的假设，然而在很多非匀速直线轨迹，几何构型较为复杂的sar应用模式，回波信号不再满足方位不变的假设，这给基于方位频域处理的仿真方法引入难点。而对于带有地形起伏的三维场景，由于高程起伏图像容易出现了叠掩、透视收缩、阴影等几何畸变现象，这种现象会增加sar图像的解译难度。综上所述，在存在地形起伏的条件下即在三维场景下的回波模拟技术不但要解决地面场景的建模问题及大场景回波模拟的快速实现问题，同时克服上述两种数据生成方法的不足，需要研究新的高效、精确、适用性广的sar数据仿真方法，使之能够满足用于开发和评估任意估计任意构型应用下的sar成像系统。

3、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

4、(1)现有的回波信号仿真方法中，时域回波仿真方法的计算量随着点目标数量的增加快速增加，对于大场景的回波仿真来说其运算效率低下。

5、(2)在非匀速直线轨迹的几何构型较为复杂的sar应用模式，回波信号不再满足方位不变的假设，这给基于方位频域处理的仿真方法引入难点。

6、(3)对于带有地形起伏的三维场景，由于高程起伏图像容易出现了叠掩、透视收缩、阴影等几何畸变现象，这种现象会增加sar图像的解译难度。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种适用于地形起伏场景下的sar时域快速回波模拟方法，尤其涉及一种分析地形起伏的基于cfbp逆向处理的回波模拟方法、系统、介质、设备及终端。

2、本发明是这样实现的，一种适用于地形起伏场景下的sar时域快速回波模拟方法，分析地形起伏的回波模拟方法包括：建立信号模型，将成像场景的高度信息通过采样投影至成像的直角坐标网格上，并将直角坐标系下的sar复图像进行波数谱压缩，然后变换至二维频域；按照上一级的子孔径大小，在二维频域对图像沿方位频域进行分割，得到两部分频域信号；对两部分信号分别进行二维逆傅里叶变换，补偿波数谱压缩核的共轭函数；对两部分信号分别用新的波数谱压缩函数进行压缩，再次变换至二维频域然后分别进行两端去零操作，将场景高度重新投影至方位采样间隔翻倍的成像网格中；通过递归处理不断获得方位分辨率逐级降低的sar复图像，直到获得每一个发射脉冲下的sar回波信号，结束循环。

3、进一步，适用于地形起伏场景下的sar时域快速回波模拟方法包括以下步骤：

4、步骤一，建立信号模型，将成像场景的高度信息通过采样投影至成像的直角坐标网格上；将笛卡尔坐标系下的场景复图像表达式变换至二维频域，利用建立的信号模型和波数矢量分解推导出波数谱的宽度，通过波数谱宽度得出图像域的采样率限制；通过分析采样率的限制，推导出方位波数谱压缩核，使得压缩后的方位图像采样率仅与孔径长度有关；推导出全孔径的波数谱压缩核对图像域信号进行压缩，二维fft变换至频谱，此时频谱位于中间位置

5、步骤二，对二维频谱下的信号沿方位向分割成两部分信号。对两部分信号分别进行二维逆傅里叶变换，再分别补偿上一步波数谱压缩函数的共轭函数，以保持相位；

6、步骤三，根据分割后子孔径的孔径中心建立新的波数谱压缩函数，对分割后的信号进行补偿，使得切割后的频谱位于中间位置，再次变换至二维频域然后分别进行两端去零操作，此时信号的图像域方位向分辨率减少一半，将场景高度重新投影至方位采样间隔翻倍的成像网格中；

7、步骤四，重复步骤二～步骤三，不断获得方位分辨率逐级降低的sar复图像，直到获得每一个发射脉冲下的sar回波信号；通过成像网格上的高度信息进行三维解算，得出回波信号距离向数据。

8、进一步，步骤一中，雷达安装在移动的飞行平台上，沿着任意曲线飞行，全孔径长度为l，在平台运行过程中波束始终指向场景中心；p为雷达照射场景中的任意散射点，在笛卡尔坐标系下，p位置用p(xp,yp,zp)表示，则在全孔径时间内，斜距历程表示为其中，(x,y,z)为平台所在的瞬间位置，(xi,yi)为成像网格上任意一点，将场景的高程信息投影至成像网格上；成像采用后向投影算法，在笛卡尔坐标系下，包含点的sar复图像表示为：

9、

10、式中，kb＝kmax-kmin为发射信号距离向波数谱宽度，最小值和最大值分别为kmax和kmin；是中心波数，k＝kc+kr，kr∈(-kb/2,kb/2)；是场景点与平台位置间的斜距历程，zi是投影到网格上的高度信息，(x,y,z)为平台的瞬时方位位置。

11、将图像转换到xi和yi对应的2维反变换域中通过驻定相位法得到变量kx和ky的范围k sinθmin≤kx≤k sinθmax，kmincosθ≤ky≤kmaxcosθ，其中θmin和θmax分别是天线视角的最大值和最小值；图像域的采样率限制为结果利用小斜视角的性质sinθ＝θ和cosθ＝1。

12、方位向的采样间隔受方位波束角范围限制，而在聚束条件下，波束角范围是由场景宽度和合成孔径长度共同作用的，而距离向的采样间隔仅受发射信号带宽的影响。其中xi/ri和x/ri分别代表场景宽度和子孔径长度代表的波数谱分量。从斜距出发，正侧视条件下将斜距展开为展开式中孔径长度远小于场景距离。构造方位波数谱压缩核其中第一项用于方位波数谱压缩，第二项是保相性因子。经过压缩核补偿后，直角坐标系下的波数谱宽度仅与子孔径的长度有关。方位图像域采样间隔δx仅需满足其中l是子孔径的长度。方位图像域采样间隔与孔径长度成正比关系，通过将全孔径图像分解成子孔径图像采样间隔成倍降低，直到获得回波信号，推导出全孔径的波数谱压缩核对图像域信号进行压缩，二维fft变换至频谱，此时频谱位于中间位置。

13、进一步，步骤二中，将全孔径信号分成两个等长的子孔径信号，全孔径信号对应全孔径sar图像，同时全孔径sar图像对应了全孔径图像频谱；将全孔径图像频谱以kx＝0为中心，沿方位频率向划分为两部分，得到子孔径图像频谱1和子孔径图像频谱2；其中，子孔径图像频谱1上对应子图像1的频谱，子图像1对应子孔径1的回波信号；子孔径图像频谱2上对应子图像2的频谱，子图像2对应子孔径2的回波信号；对两部分信号分别进行二维逆傅里叶变换，再分别补偿上一步波数谱压缩函数的共轭函数，以保持相位；。

14、进一步，步骤三中，根据分割后子孔径1和子孔径2的孔径中心建立新的波数谱压缩函数，对分割后的信号分别进行补偿，使得切割后的频谱1和频谱2都位于中间位置，再次变换至二维频域然后分别进行两端去零操作，此时信号的图像域方位向分辨率减少一半，将场景高度重新投影至方位采样间隔翻倍的成像网格中；

15、进一步，步骤四中，通过递归处理获得分辨率逐级降低的笛卡尔坐标sar复图像，直至获得每一个脉冲下的sar回波信号，则结束递归处理。

16、本发明的另一目的在于提供一种应用所述的适用于地形起伏场景下的sar时域快速回波模拟方法的分析地形起伏的回波模拟系统，分析地形起伏的回波模拟系统包括：

17、图像变换模块，用于建立信号模型，将成像场景的高度信息通过采样投影至成像的直角坐标网格，并将sar复图像变换至二维频域；

18、图像分割模块，用于按照上一级的子孔径大小在二维频域对图像进行分割，将频谱搬移至中间位置，再进行两端去零操作，得到频域信号并进行二维逆傅里叶变换，得到两个sar复图像；

19、波数谱压缩模块，用于对sar复图像进行波数谱压缩，使得方位分辨率只与孔径长度有关，图像的频谱也搬移至中间位置；

20、采样投影模块，用于将信号变换至图像域得到低一级方位分辨率的sar复图像，将成像场景的高度信息通过采样投影至成像的直角坐标网格；

21、回波模拟模块，用于通过递归处理获得方位分辨率逐级降低的sar复图像，当获得每一个发射脉冲下的sar回波信号则结束循环，实现回波模拟。

22、本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，计算机设备包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行所述的适用于地形起伏场景下的sar时域快速回波模拟方法的步骤。

23、本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行所述的适用于地形起伏场景下的sar时域快速回波模拟方法的步骤。

24、本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，信息数据处理终端用于实现所述的分析地形起伏的回波模拟系统。

25、结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

26、第一，针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：

27、本发明提供了一种用于分析地形起伏的基于cfbp(cartesian factorizedbackprojection，cfbp)逆向处理的sar(synthetic aperture radar，sar)回波信号快速仿真方法，并建立信号模型，将成像场景的高度信息通过采样投影至成像的直角坐标网格上，并将直角坐标系下的sar复图像进行波数谱压缩，然后变换至二维频域；按照上一级的子孔径大小，在二维频域对图像沿方位频域进行分割，得到两部分频域信号；对两部分信号分别进行二维逆傅里叶变换，补偿波数谱压缩核的共轭函数；对两部分信号用新的波数谱压缩函数进行压缩，再次变换至二维频域然后分别进行两端去零操作，将场景高度重新投影至方位采样间隔翻倍的成像网格中；通过递归处理不断获得方位分辨率逐级降低的sar复图像，直到获得每一个发射脉冲下的sar回波信号，结束循环。

28、为了进一步提高tda算法的计算效率，本发明整体基于笛卡尔分解反向投影算法(cartesian factorized backprojection，cfbp)，该算法通过升采样和在笛卡尔坐标系下对图像频谱进行相干合成来实现粗图像的融合。由于避免了大量的二维插值，该算法在精度和效率方面都有显著的提高。本发明针对cfbp算法进行逆向处理，提高了回波信号仿真方法的效率和精度，同时将高度信息处理到成像网格中，解决了雷达图像几何畸变现象在sar回波模拟过程中的造成的问题。

29、本发明提供的应用于有地形起伏的回波模拟框架，相较于传统时域回波模拟算法在实现过程中减少了大量用于图像拆分的插值操作，从而显著提高了算法的运算效率，且随着全孔径的收发脉冲数的增加，效率改进效果会更加明显。本发明有效的解决了场景高度导致的雷达图像几何畸变现象在sar回波模拟过程中的造成的问题。同时，本发明可以在节省大量人力物力的条件下，模拟飞行器在各种复杂应用条件下的sar回波信号，用于评估sar系统的各项性能指标，并用于改进和优化实时成像处理硬件系统。

30、第二，把技术方案看做一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：

31、本发明提供的适用于地形起伏场景下的sar时域快速回波模拟方法是时域算法具有高精度的优点，通过改进时域算法使得运算效率也大幅度提升，适用于大场景回波生成，也不需要满足方位不变的假设，同时能够解决地形起伏所造成的影响。本发明能够节省大量人力物力，用于评估sar系统的各项性能指标，并用于改进和优化实时成像处理硬件系统。

32、第三，作为本发明的权利要求的创造性辅助证据，还体现在以下几个重要方面：

33、(1)本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：

34、sar回波模拟技术最大的优势就是可以通过仿真的方法高效的获得大量的各种条件下的回波数据，不需要采用实际的飞行获得，方便快捷。可以大大加快sar系统研究进度，规避研发风险，同时较少的飞行实验也可节省研发经费，降低成本。

35、(2)本发明的技术方案解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：

36、本发明的技术方案是基于时域cfbp算法的回波模拟算法，具有高精度的特点，相较于传统的同心圆回波生成方法极大的提高了运算效率，同时能够处理场景的高度信息，获得的回波质量很高，用得到的回波进行成像，与原图像差异很小。