机载下视阵列三维合成孔径雷达分布式三维场景仿真方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及雷达仿真、成像和信号处理技术领域，特别是机载下视阵列三维合成 孔径雷达分布式三维场景仿真方法。
【背景技术】
[0002] 常规侧视合成孔径雷达由于掠地角较小及地形起伏的影响，在获取的二维合成孔 径雷达图像中会存在叠掩、阴影等问题，在进行二维合成孔径雷达分布式场景仿真时，需要 利用光线跟踪法对方位相同的场景高度曲线进行研究。这种方法无法推广到下视三维观测 模式，并且三维场景数据量极大，需要研究更快速准确的仿真方法。
[0003] ff.G.Kropatsch.TheGenerationofSARLayoverandShadowMapsFrom DigitalElevationModels.IEEETrans.GeoscienceandRemoteSensing,28 (1)： 98-107,1990.
【发明内容】
[0004](一）要解决的技术问题
[0005] 为解决上述的技术问题，本发明的目的是提供一种机载下视阵列三维合成孔径雷 达分布式三维场景仿真方法。
[0006](二）技术方案
[0007] 根据本发明的一个方面，提供了一种机载下视阵列三维合成孔径雷达分布式三维 场景仿真方法。该方法包括：
[0008] 步骤A:将阵列天线阵元位置数据、观测区域分布式三维场景数字表面模型和观 测区域分布式三维场景对应的正射合成孔径雷达投影图像输入到中央处理器；
[0009] 步骤B:在中央处理器中设定雷达工作参数；
[0010] 步骤C:利用中央处理器将雷达工作参数、观测区域分布式三维场景数字表面模 型和观测区域分布式三维场景正射合成孔径雷达图像传输到图形处理器中，用于为中央处 理器、图形处理器仿真提供仿真输入；
[0011] 步骤D:根据选择的回波生成法，在图形处理器生成机载下视阵列三维合成孔径 雷达三维回波信号，将所述回波信号从图形处理器中的显存传递到中央处理器控制的内 存，选择与所述回波信号的数据格式并将所述回波信号的数据保存到硬盘；以及
[0012] 步骤E:利用三维成像算法，对机载下视阵列三维合成孔径雷达三维回波信号在 图形处理器进行成像处理，输出观测区域分布式三维场景三维图像和正射投影图像。
[0013](三）有益效果
[0014] 从上述方法可以看出，本发明机载下视阵列三维合成孔径雷达分布式三维场景仿 真方法具有以下有益效果：
[0015] 本发明方法用于机载下视阵列三维合成孔径雷达机底区域观测模式，本发明能够 克服常规侧视合成孔径雷达中存在的叠掩、阴影等问题，并且能够获得观测区域场景的三 维散射信息，在民用和军用方面都有巨大的应用潜力。目前尚无公开可用或可购买的机载 下视阵列三维合成孔径雷达数据，为推动机载下视阵列三维合成孔径雷达系统研制过程中 的关键技术验证，需要开展机载下视阵列三维合成孔径雷达分布式三维场景仿真技术，本 发明提出的方法仿真速度快，仿真精度高，符合大数据量三维仿真实用性要求。
[0016] (1)本发明用于支撑目前尚无实际机载下视阵列三维合成孔径雷达数据情况下系 统关键技术验证；
[0017] (2)本发明方法以三维数字表面模型和正射合成孔径雷达图像作为分布式三维仿 真场景输入，在完成仿真参数、回波生成方法以及成像方法设置后，能够灵活添加天线相位 中心运动误差和系统噪声，完成对分布式三维场景回波生成和三维成像处理；
[0018] (3)将中央处理器逻辑处理能力与图形处理器数据运算能力相结合，实现异构并 行仿真，极大提高仿真效率。
[0019] (4)能够对不同的阵列构型、工作时序、成像算法进行验证，对于系统研制起到很 好的推动作用。
【附图说明】
[0020] 图1为机载下视阵列三维合成孔径雷达成像几何模型；
[0021] 图2为本发明实施例异构仿真系统结构图；
[0022] 图3为本发明机载下视阵列三维合成孔径雷达分布式三维场景仿真流程图；
[0023] 图4A为观测场景三维数字表面模型；
[0024] 图4B为观测场景机载圆迹合成孔径雷达正射图像。
[0025] 图5A为逆极坐标算法三维重建结果；
[0026] 图5B为逆极坐标算法正射投影结果。
[0027] 图6A为极坐标和L1正则化相结合算法三维重建结果；
[0028] 图6B为极坐标和L1正则化相结合算法正射投影结果。
【具体实施方式】
[0029] 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，对本发明进一步详细说明。
[0030] 需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附 图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本 文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接 受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。此外，以下实施例中提到的方向用语，例如 "上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来 说明并非用来限制本发明。
[0031] 图1为机载下视阵列三维合成孔径雷达成像几何模型图示。请参照图l，x轴平行 于航迹向，Y轴平行于跨航向，Z轴自上而下垂直于XY平面，0是坐标原点。Q是当前正在 进行信号收发的天线相位中心，P是观测区域场景目标，P'是观测区域场景目标在YZ平面 上的投影。^7是天线相位中心沿载机运动方向的轨迹，QY'是天线相位中心沿载机运动 方向的轨迹，面是坐标原点到场景目标P的参考斜距，参考斜距的长度为p，硬为天线相 位中心到场景目标P的瞬时斜距，瞬时斜距的长度为P'。h为航迹向多普勒累积角，y2 为跨航向多普勒累积角，小为行f与YZ平面的夹角，0为与Z轴的夹角。跨航向阵列 布局无特定规则限制，可以稀疏非规则布置。机载下视阵列三维合成孔径雷达获取场景目 标沿航迹向、跨航向、波传播向三维回波信号。
[0032] 如图2为本发明实施例异构仿真系统结构包括中央处理器和图形处理器，中央处 理器的输入端接收阵列天线阵元位置数据、观测区域分布式三维场景数字表面模型和观测 区域分布式三维场景对应的正射合成孔径雷达图像数据，中央处理器的输入输出数据端与 图形处理器的输入输出数据端连接。图2中只有一套中央处理器系统和一套图形处理器系 统，只是两个系统在回波生成和成像处理过程中都需要数据交互，整个图自上而下是整个 异构并行仿真的实际流程，每个流程过程中会有中央处理器、图形处理器参与，其中图形处 理器计算时划定一个计算网格，计算网格内划分为线程块，线程块又可以划分为多个线程， 这是图形处理器工作状态。
[0033] 利用图2中示出的异构仿真系统结构实施如图3所示的基于异构并行的机载下视 阵列三维合成孔径雷达分布式场景仿真方法的步骤包括：
[0034] 步骤A:将阵列天线P0S数据将阵列天线阵元位置数据、观测区域分布式三维场景 数字表面模型和观测区域分布式三维场景对应的正射合成孔径雷达图像输入到中央处理 器；其中阵列天线阵元位置数据是转换到载机坐标