黃佳琦,祝明波,侯建國,董 巍,鄒建武

(1.中國人民解放軍92819部隊,遼寧大連116600;2.海軍航空工程學(xué)院電子信息工程系,山東煙臺264001;3.海軍航空管制設(shè)備維修中心,北京100071)

0 引言

合成孔徑雷達(dá)(SAR)是一種利用天線運動形成綜合孔徑對地面目標(biāo)實現(xiàn)二維成像的有源微波雷達(dá)。它具有全天候、全天時、穿透性強、多參數(shù)探測等特點,在軍事和民用領(lǐng)域都發(fā)揮了巨大的作用。通過有效載荷獲取SAR實際圖像的方法費時費力,且受環(huán)境條件、目標(biāo)特性的變化、系統(tǒng)參數(shù)等一系列因素的限制,無法獲取任意條件下的實際數(shù)據(jù),從而促進(jìn)了SAR圖像仿真技術(shù)的發(fā)展。通過SAR圖像仿真技術(shù),可高效建立目標(biāo)參考模板庫,對SAR圖像目標(biāo)檢測與識別等后續(xù)處理提供素材[1-3]。

本文簡要介紹了基于圖像特征和基于回波信號的SAR圖像仿真方法,并用這兩種方法分別對海面艦船進(jìn)行SAR圖像仿真。根據(jù)得到的仿真圖像,對兩種仿真方法進(jìn)行對比研究。

1 SAR成像仿真方法

縱觀近年來國內(nèi)外學(xué)者對艦船及其海面背景SAR成像仿真進(jìn)行研究的方法,都可歸結(jié)為Giorgio等在1995年總結(jié)的兩種方法:基于圖像特征的仿真方法和基于回波信號的仿真方法。

(1)基于圖像特征的仿真方法

這種類型的仿真又稱為功能仿真,其流程如圖1所示。這種仿真方法不考慮場景目標(biāo)的散射過程,僅僅根據(jù)目標(biāo)的幾何模型或輻射模型來獲得SAR仿真圖像,或直接利用一幅真實SAR圖像的后向散射系數(shù)信息來模擬其他成像參數(shù)下的圖像。這種方法有很多近似,其高效快捷性有利于圖像理解、數(shù)據(jù)獲取方案制定和信息反演等,運算簡單,實時性強,但由于沒有考慮SAR系統(tǒng)參數(shù),不能真實反映SAR系統(tǒng)特征。該方法主要模擬SAR圖像的幾何特征和輻射特征,并不進(jìn)行SAR原始回波信號的仿真。

圖1 基于SAR圖像特征的仿真方法流程

(2)基于回波信號的仿真方法

這是一種端到端的仿真,其流程如圖2所示。根據(jù)SAR系統(tǒng)工作原理,由目標(biāo)的后向散射系數(shù)模型得到回波數(shù)據(jù),再通過成像算法處理SAR原始回波信號獲得仿真的SAR圖像。這種方法考慮了SAR系統(tǒng)參數(shù),能較真實反映SAR系統(tǒng)特征,但實時性較差,回波仿真數(shù)據(jù)量大、后續(xù)處理復(fù)雜。

圖2 基于SAR回波信號的仿真方法流程

2 基于圖像特征的仿真方法

本文的兩種方法,具體實施方案如圖3所示。

海面是由線性疊加法反演基于海浪譜的雙尺度海面模型生成的動態(tài)海面,利用Auto CAD或3D MAX等三維建模軟件,將建好的海面與3D艦船模型組合成船海復(fù)合模型,根據(jù)分辨率和SAR系統(tǒng)要求,將目標(biāo)模型劃分成合適大小的小面單元。同時采用射線追蹤法(SBR)來進(jìn)行面元消隱和遮擋處理,舍去由于自身為背光面和相互之間被遮擋的面元。將剩下的小面單元近似為點目標(biāo),根據(jù)目標(biāo)電磁散射特性,運用合適的圖形電磁計算方法,得到其散射截面(RCS),生成基于圖像特征的仿真圖像,或先計算回波,經(jīng)RD算法處理后,生成基于回波信號的仿真圖像[4-6]。

圖3 兩種仿真方法的實施方案圖

2.1 動態(tài)海面模型的生成

雙尺度海浪譜模型是指海面是由Pierson與Moscowitz提出的P-M譜S1(k)和Fung提出的完全海譜中的S2(k)組成。S1(k)為重力波譜,S2(k)為張力波譜。且條件為

式中,S1(k),S2(k)分別定義為

式中,α是譜相關(guān)系數(shù),數(shù)值為5.6×10-3,g c是重力加速度,數(shù)值為9.81 m/s2,U19.5為海面19.5 m處的風(fēng)速。

式中,g c=981 cm/s2,k m=3.63 rad/cm,p=5-lg(U?),U?是摩擦風(fēng)速,單位為cm/s。U?與高度z(cm)時的風(fēng)速U之間的關(guān)系為

當(dāng)k=0.04 rad/cm時,S1(k),S2(k)二者的譜密度相等。

線性疊加法根據(jù)隨機海浪的Longuest-Higgins模型,將海面波高表示如下:

式中,ζ(x,y,t)為(x,y)位置t時刻的海面高度,a ij,k i,θj,ωi,εij分別為第i個余弦波的振幅、波數(shù)、方向角、角頻率和初始相位。

據(jù)此海面幾何模型生成的某一時刻中海況(海面上方19.5 m處風(fēng)速10 m/s)時的三維海面如圖4所示。

海面與某型護(hù)衛(wèi)艦的3D復(fù)合模型如圖5所示。

圖4 基于雙尺度海浪譜的海面模型

圖5 艦船海面3D模型

2.2 散射截面的計算

將船海復(fù)合模型劃分面元之后,采用射線追蹤法(SBR)來進(jìn)行面元消隱和遮擋處理,舍去由于自身為背光面和相互之間被遮擋的面元。根據(jù)目標(biāo)電磁散射特性,計算其散射系數(shù)。目前發(fā)展的圖形電磁計算方法,主要分為數(shù)值方法和高頻近似方法。數(shù)值方法直接對微分或積分方程進(jìn)行數(shù)值求解,因此精確度較高,但受計算機內(nèi)存和時間的限制,很難應(yīng)用到海面艦船這樣的大尺寸物體的散射。而高頻近似方法,由于采用了各種物理近似,實現(xiàn)起來比較簡單。目前發(fā)展起來比較成熟的高頻近似方法有物理光學(xué)法(PO)、幾何光學(xué)法(GO)、物理繞射理論(PTD)、幾何繞射理論(GTD)、一致性幾何繞射理論(UTD)、等效邊緣電磁流法(EEC)和增量長度繞射系數(shù)法(ILDC)等。物理光學(xué)方法(PO)忽略了邊緣和曲面繞射的貢獻(xiàn),該方法占用內(nèi)存小,計算速度快,在工程上應(yīng)用非常廣泛。本文RCS的計算均采用PO法[7-9]。

電磁波照射到目標(biāo)后會在目標(biāo)表面產(chǎn)生感應(yīng)電流,感應(yīng)電流向外輻射產(chǎn)生散射場,PO法將目標(biāo)表面某一點的感應(yīng)電流等效于電磁波入射到該點時與該點相切的無限大平面所產(chǎn)生的感應(yīng)電流源,通過對這些感應(yīng)電流進(jìn)行近似變換和積分求和獲得散射場的解。散射場因感應(yīng)場有限而保持有限值,這樣就克服了無限大平表面和單曲率表面求解過程中散射場計算結(jié)果無限大的問題。在滿足電大尺寸以及良導(dǎo)體的條件下,面元RCS在高頻條件下的計算公式為

式中,θ為面元法向量與電磁波入射方向之間的夾角,即本地入射角,z為面元ds到觀察點的距離,ds為面元被照亮區(qū)域的面積。

當(dāng)用PO計算曲面的RCS時,經(jīng)常出現(xiàn)RCS隨頻率變化曲線中存在“虛假振蕩”,這是由暗區(qū)和亮區(qū)交界處,感應(yīng)電流突變?yōu)?造成的。根據(jù)高頻散射理論,曲面的單站RCS主要來源于鏡面反射點,即該面元法向量與入射方向非常接近,即θ→0°,在陰影邊界,θ→90°,可不必修正鏡面散射而通過乘上一個衰減函數(shù)cosθ的n次方來消除振蕩,即

n是控制住相近似的調(diào)節(jié)因子。正側(cè)視成像時,雷達(dá)可看成“停—走—?！蹦Ｊ?在每個方位向采樣點處,計算雷達(dá)波束內(nèi)的面元的RCS,雷達(dá)掃描結(jié)束后,將所有面元的RCS各自矢量疊加,得到最終目標(biāo)的RCS。

根據(jù)得到的目標(biāo)RCS,映射到圖像空間,即可得到基于圖像特征的SAR仿真圖像。

在平臺飛行速度300 m/s,飛行高度2 000 m,得到某型護(hù)衛(wèi)艦的仿真圖像如圖6所示。海況為中海況。

圖6 基于圖像特征的仿真圖

3 基于回波信號的仿真方法

該方法在前述計算出各面元RCS的基礎(chǔ)上,根據(jù)雷達(dá)工作過程計算目標(biāo)的回波,通過RD成像處理算法處理回波,得到仿真圖像[10-11]。正側(cè)視SAR成像幾何關(guān)系示意圖如圖7所示。

圖7 正側(cè)視SAR成像幾何關(guān)系

設(shè)平臺最小斜距為R0,平臺速度為V,雷達(dá)入射角為θ,方位向積累時間為T。通常合成孔徑雷達(dá)發(fā)射的信號是線性調(diào)頻脈沖串,可表示為

式中,rect(·)為矩形窗函數(shù),fc為載波中心頻率,kr為線性調(diào)頻率,PRT為脈沖重復(fù)周期,Tr為脈沖持續(xù)時間。

SAR的工作過程為:雷達(dá)以一定的PRT發(fā)射和接收線性調(diào)頻脈沖,天線波束照射到海面艦船目標(biāo)上近似為一矩形區(qū)域,區(qū)域內(nèi)各散射面元(點)對入射波后向散射。由于方位向時間變量s遠(yuǎn)大于距離向時間變量t(典型相差105量級),于是一般可以假設(shè)SAR滿足“?！摺！蹦Ｊ?即SAR在發(fā)射和接收一個脈沖信號中間,載機未發(fā)生運動。在脈沖持續(xù)時間Tr中由于海面的波動很小,因此假設(shè)在彈載合成孔徑雷達(dá)發(fā)射和接收線性調(diào)頻脈沖的過程中,海面上各點目標(biāo)的雷達(dá)散射界面是一定值,而在雷達(dá)成像的脈沖重復(fù)周期內(nèi),海面相對變化較大,因此,當(dāng)彈載合成孔徑雷達(dá)以一定的PRT發(fā)射線性調(diào)頻脈沖時,海面各個點目標(biāo)的雷達(dá)散射截面是變化的,需根據(jù)方位向采樣時刻更新海面場景,重新計算海面與艦船目標(biāo)的散射截面。發(fā)射脈沖經(jīng)過目標(biāo)和天線方向圖的調(diào)制,攜帶目標(biāo)和環(huán)境信息形成SAR回波。

按照雷達(dá)工作過程,二維回波信號可以寫為

式中,s為慢時間變量,t為快時間變量,w為天線增益,TSAR為合成孔徑時間。

在方位向(慢時間域),s是離散的,s=n·PRT+x0/V,其中V是SAR的速度,x0是t=0時刻目標(biāo)在參考坐標(biāo)系中的x坐標(biāo)。為了作數(shù)字信號處理,在距離向(快時間域)也要采樣,假設(shè)采樣周期為Tr,則t=m·Tr,方位向發(fā)射N個脈沖,距離向采樣得到M個樣值點,則SAR回波為一N×M矩陣,K個理想點目標(biāo)的回波經(jīng)采樣后的表達(dá)式為

用RD成像算法處理所得回波,在表1所示的仿真參數(shù)下,得到的仿真圖像如圖8所示。

表1 部分仿真參數(shù)

圖8 基于回波信號的仿真圖

4 仿真結(jié)果對比分析

對比兩種仿真方法得到的仿真圖像,可以發(fā)現(xiàn):

1)兩種仿真方法都能反映艦船輪廓特征和海面波動特征,且在1 m×1 m分辨率足夠高的情況下,還能較為完整地反映艦船目標(biāo)的細(xì)節(jié)特征。對比入射角30°和60°兩組圖像,艦船與海面背景的陰影、疊掩、斜距拉長、透視收縮等特征均能很好地得到體現(xiàn),較為接近真實的SAR圖像特征,說明兩種方法均是合理的。

2)從仿真時間上來看,本文仿真所用計算機為工作站,CPU為E3-1230 3.3 GHz,內(nèi)存8 GB,仿真時間對比如表2所示。

表2 仿真時間對比

基于圖像特征的方法由于不需要計算回波,消耗內(nèi)存小,仿真速度明顯快于基于回波信號的方法。

3)由于基于圖像特征的仿真方法主要根據(jù)圖像的特征來仿真,沒有考慮SAR系統(tǒng)參數(shù),得到的圖像比較平滑。基于回波信號的仿真方法,由于根據(jù)雷達(dá)的工作過程,計算了回波,雖然耗費時間長,但圖像具有目標(biāo)強散射點引起的星狀模糊效果,更加接近真實SAR圖像。

5 結(jié)束語

本文運用基于圖像特征和基于回波信號的兩種SAR圖像仿真方法,對海面艦船進(jìn)行SAR圖像仿真,并根據(jù)實驗得到的仿真圖像,對兩種仿真方法進(jìn)行對比研究。仿真圖像較為接近真實SAR圖像,能夠較為直觀地反映兩種方法的優(yōu)缺點。但本文在計算RCS時,只考慮海面與艦船的一次散射,未考慮海面與艦船對電磁波的多次散射作用,這也將作為后續(xù)研究的重點。

[1]AUER S,HINZ S,BAMLER R.Ray-Tracing Simulation Techniques for Understanding High-Resolution SAR Images[J].IEEE Trans on Geoscience and Remote Sensing,2010,48(3):1445-1456.

[2]TANG Kan,SUN Xian,SUN Hao,et al.A Geometrical-Based Simulator for Target Recognition in High-Resolution SAR Images[J].IEEE Geoscience and Remote Sensing,2012,9(5):958-962.

[3]ZHANG M,ZHAO Y W,CHEN H,et al.SAR Imaging Simulation for Composite Model of Ship on Dynamic Ocean Scene[C]∥Progress In Electromagnetics Research,[S.l.]:[s.n.],2011:395-412.

[4]趙言偉.海面目標(biāo)合成孔徑雷達(dá)成像模擬研究[D].西安:西安電子科技大學(xué),2011.

[5]杜文超,孟小芬,劉欽,等.基于SAR圖像的快速景象匹配方法[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù),2014,12(1):39-43.

[6]KNAPSKOG A O,BROVOLL S,TORVIK B.Characteristics of Ships in Harbour Investigated in Simultaneous Images from TerraSAR-X and PicoSAR[C]∥Proceedings of the IEEE International Radar Conference,Washington,DC:[s.n.],2010:422-427.

[7]張顯峰,楊露菁,張偉.艦船目標(biāo)SAR圖像仿真方法研究[J].艦船電子工程,2011,31(7):102-104.

[8]張顯峰,楊露菁,羅兵.基于Vega的艦船SAR圖像仿真[J].艦船電子工程,2011,31(6):122-123.

[9]MARGARIT G,TABASCO A.Ship Classification in Single-Pol SAR Images Based on Fuzzy Logic[J].IEEE Trans on Geoscience and Remote Sensing,2011,49(8):3129-3138.

[10]FERRO A,BRUNNER D,BRUZZONE L,et al.On the Relationship Between Double Bounce and the Orientation of Buildings in VHR SAR Images[J].IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters,2011,8(4):612-616.

[11]ZHANG H,TIAN X J,WANG C,et al.Merchant Vessel Classification Based on Scattering Component Analysis for COSMO-Sky Med SAR Images[J].IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters,2013,10(6):1275-1279.