一种金属多边形的合成孔径雷达图像仿真方法及其应用技术

一种金属多边形的合成孔径雷达图像仿真方法，包括步骤：根据雷达入射方向建立三维坐标系，计算成像坐标变换矩阵T；根据成像坐标变换矩阵T和雷达成像参数，计算金属多边形各顶点对应的像素坐标；计算金属多边形各顶点的散射强度；计算仿真SAR图像对应数据矩阵，生成仿真SAR图像。该仿真方法能在很小的计算量下有效模拟合成孔径机制，克服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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及高频散射计算和合成孔径雷达成像
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题有鉴于此，本专利技术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)技术方案根据本专利技术的一方面，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。根据本专利技术的另一方面，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，可以看出本专利技术的金属多边形的SAR图像仿真方法及其应用有益效果在于：(1)本专利技术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是本专利技术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是本专利技术一实施例的仿真SAR图像。具体实施方式为使本专利技术的目的、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，对本专利技术作进一步的详细说明。参见图1所示，根据本专利技术的基本构思，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，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种金属多边形的合成孔径雷达图像仿真方法，其特征在于，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。

【技术特征摘要】
1.一种金属多边形的合成孔径雷达图像仿真方法，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的金属多边形的合成孔径雷达图像仿真方法，其特征在于，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.]]>3.根据权利要求1所述的金属多边形的合成孔径雷达图像仿真方法，其特征在于，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：张月婷，仇晓兰，李芳芳，丁赤飚，雷斌，付琨，
申请(专利权)人：中国科学院电子学研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11