一種復雜場景的電磁建模仿真方法技術

本發(fā)明專利技術涉及一種復雜場景的電磁建模仿真方法，綜合現有的合成孔徑雷達仿真手段，利用真實場景高程數據，小面元模型，自然地表的電磁散射參數，模擬合成孔徑雷達回波信號，采用高程數據差異化處理的建模方式，解決了原來目標和地形場景分開建模的問題，得到了目標結合地形場景的仿真圖像，并且成像質量較好，效果清晰。

An electromagnetic modeling and simulation method for complex scenes

Electromagnetic modeling and simulation method of the present invention relates to a complex scene, the synthetic aperture radar simulation method, using the real scene elevation data, facet model, electromagnetic scattering parameters of natural terrain simulation, synthetic aperture radar echo signal, the modeling method of elevation data difference processing, to solve the original target and terrain scene separately the problem of modeling the target image with the simulation of terrain, and good image quality, clear effect.

【技術實現步驟摘要】
一種復雜場景的電磁建模仿真方法
本專利技術涉及一種復雜場景的電磁建模回波仿真方法，屬于微波遙感和信號處理的交叉領域。
技術介紹
文獻“地面車輛目標高質量SAR圖像快速仿真方法，雷達學報，2015，4(3)：350-360”提出了一種基于射線追蹤技術的SAR信號級高效方法，該方法通過構建地面車輛目標SAR仿真場景物理模型，利用射線追蹤方法，結合地雜波統(tǒng)計模型，實現對地面粗糙特性的通過SAR成像處理和圖像相似度評估形成SAR圖像。該方法僅僅對地面上的目標做了建模成像，成像結果僅僅可以看出目標的形態(tài)特征，對于地面草地成像結果效果不好，不能清晰地看出草地的形態(tài)特征。本專利技術利用分形插值對山地高程數據作插值處理，以獲得小于雷達分辨率的山地數據，然后以嵌入的方式在山地上嵌入目標，來獲得目標和山地結合的幾何模型，然后在對目標和山地電磁建模時，對山地和目標采用不同的后向散射系數計算方法，結合成像算法，實現復雜場景的電磁建模仿真。
技術實現思路
要解決的技術問題為了解決地面車輛目標成像地面特征信息不清晰，目標特征不明顯，目標和地形場景區(qū)分建模的問題，本專利技術采取目標場景為山地地形的電磁建模方法，使得場景山地的形態(tài)特征清晰地呈現，并且目標的特征也更為清晰。技術方案一種復雜場景的電磁建模仿真方法，其特征在于步驟如下：步驟1：使用Matlab的surf函數將選取的數字高程數據DEM構建成地表的幾何模型，然后對地表幾何模型進行多次分形插值處理；所述的分形插值處理每次包括兩個步驟，分別為：第一步的插值方法為：第二步的插值公式為：上面兩式中，Vi，其中i＝1、2、3、4、5表示目標點的高程，H為地形粗糙程度，σ為起伏程度，L為初始格網間距，n為迭代次數，G為服從標準正態(tài)分布的隨機數；使用Matlab的surf函數將坦克模型的矩陣高程數據構建成坦克的幾何模型，然后采用矩陣數據高程疊加的方式，在分形插值后的地表模型中嵌入坦克模型，生成的矩陣數據即為地表和坦克的幾何模型，矩陣數據由若干個網格構成，每個網格代表一個目標點；步驟2：利用距離-多普勒信息對目標點進行定位：式3為距離方程，R為SAR到目標點的斜距，為載機的位置矢量，是目標點的位置矢量，c為光速，τ為所接收到的目標回波相對于發(fā)射脈沖的時間延遲；式4為多普勒頻率方程，fD為觀察到的目標回波多普勒頻率，為SAR與目標間的相對速度矢量，為SAR到目標點的斜距矢量，矢量方向為SAR指向目標點，λ為SAR所發(fā)射的電磁波的波長；式5為地球橢球模型方程，Re＝6378137m是平均赤道半徑；Rp＝(1-f)(Re+h)是地球極半徑，其中f＝1/298.257為參考橢球體的平坦度因子，h為目標點高程，x、y、z為目標點的坐標信息；依次選取相鄰的3個目標點T1、T2、T3，由T1、T2、T3的坐標信息求解由T1、T2、T3組成的小面元的面法向矢量計算SAR到目標點的斜距矢量和小面元矢量形成的夾角即為局部入射角θL；獲得局部入射角θL后采用Ulaby模型計算后向散射系數：σ0(dB)＝p1+p2exp(-p3θL)+P4cos(p5θL+P6)(6)P1～P6是根據雷達測量結果整理的經驗常數；步驟3：根據后向散射系數計算第i,j個小面單元的后向散射信號：式中G為收發(fā)天線增益，θi,j為第i,j個小面單元的局部入射角θL，ri,j為第i,j個小面單元與載機之間的瞬時距離，為SAR信號，t為SAR發(fā)射脈沖串的時間，(1為未遮擋，0為被遮擋)為遮蔽函數；將N個小面單元的后向散射信號相加得到的地表和坦克的幾何模型的回波信號：步驟4：對回波信號進行二維傅里葉變換，提取幅度值，用Matlab的Imshow函數顯示圖像。步驟1中進行4次分形插值處理。步驟2中的p1＝-24.855，p2＝26.351，p3＝1.146，p4＝0.204，p5＝0，p6＝0。有益效果本專利技術提出的一種復雜場景的電磁建模仿真方法，綜合現有的合成孔徑雷達仿真手段，利用真實場景高程數據，小面元模型，自然地表的電磁散射參數，模擬合成孔徑雷達回波信號，采用高程數據差異化處理的建模方式，解決了原來目標和地形場景分開建模的問題，得到了目標結合地形場景的仿真圖像，并且成像質量較好，效果清晰。附圖說明圖1典型地形高程圖圖2嵌入坦克目標后的幾何建模俯視圖圖3局部入射角幾何圖圖4嵌入坦克目標后的仿真結果圖具體實施方式現結合實施例、附圖對本專利技術作進一步描述：步驟1、使用Matlab的surf函數將選取的數字高程數據DEM構建成地表的幾何模型，考慮雷達的分辨率，對地表幾何模型進行4次分形插值處理，要讓地表模型構成的分辨率小于雷達分辨率。所述的分形插值處理每次包括兩個步驟，分別為：第一步的插值方法為：第二步的插值公式為：上面兩式中，Vi表示目標點的高程，其中i＝1、2、3、4、5，H為地形粗糙程度，σ為起伏程度，L為初始格網間距，n為迭代次數，G為服從標準正態(tài)分布的隨機數；使用Matlab的surf函數將坦克模型的矩陣高程數據構建成坦克的幾何模型，然后采用矩陣數據高程疊加的方式，在分形插值后的地表模型中嵌入坦克模型，生成的矩陣數據即為地表和坦克的幾何模型，矩陣數據由若干個網格構成，每個網格代表一個目標點；如圖1所示，對山地高程分辨率為30米網格數據，進行4次插值處理，得到分辨率為1.875m的山地高程網格數據。如圖2所示，通過矩陣數據高程疊加的方式，在分形插值后的山地高程中嵌入目標坦克。步驟2、地表和坦克的電磁散射系數的計算：利用R-D信息模型實現目標位置的定位，目標定位后，求解入射電磁波矢量和小面元矢量形成的夾角即為局部入射角，然后根據Ulaby模型獲得后向散射系數，具體步驟如下：1)利用R-D(距離-多普勒信息)對目標點定位：式(3)為距離方程，R為SAR到地面目標的斜距，為載機的位置矢量，是目標點的位置矢量，c為光速，τ為所接收到的目標回波相對于發(fā)射脈沖的時間延遲。式(4)為多普勒頻率方程，fD為觀察到的目標回波多普勒頻率，為SAR與目標間的相對速度矢量，為SAR到目標點的斜距矢量，矢量方向為SAR指向目標點，λ為SAR所發(fā)射的電磁波的波長。式(5)為地球橢球模型方程，Re＝6378137m是平均赤道半徑；Rp＝(1-f)(Re+h)是地球極半徑，其中f＝1/298.257為參考橢球體的平坦度因子，h為目標點高程，x、y、z為目標點的坐標信息。2)參考圖3，利用R-D信息模型實現目標位置的定位后，依次選取相鄰的3個目標點T1、T2、T3，由T1、T2、T3的坐標信息求解由T1、T2、T3組成的小面元的面法向矢量計算SAR到目標點的斜距矢量和小面元矢量形成的夾角即為局部入射角θL；3)獲得局部入射角后采用Ulaby模型計算后向散射系數。該模型可表示為σ0(dB)＝p1+p2exp(-p3θL)+P4cos(p5θL+P6)(6)式中θL為小面元局部入射角，P1～P6是根據雷達測量結果整理的經驗常數。此次取p1＝-24.855，p2＝26.351，p3＝1.146，p4＝0.204，p5＝0，p6＝0。步驟3、模擬場景回波信號：每個小面元等效于一個點目標，依次在距離向和方位向計算場景內所有點目標，所有點目標回波信號累加即為整個場景的回波信號。由于，目標會產生本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種復雜場景的電磁建模仿真方法，其特征在于步驟如下：步驟1：使用Matlab的surf函數將選取的數字高程數據DEM構建成地表的幾何模型，然后對地表幾何模型進行多次分形插值處理；所述的分形插值處理每次包括兩個步驟，分別為：第一步的插值方法為：

【技術特征摘要】
1.一種復雜場景的電磁建模仿真方法，其特征在于步驟如下：步驟1：使用Matlab的surf函數將選取的數字高程數據DEM構建成地表的幾何模型，然后對地表幾何模型進行多次分形插值處理；所述的分形插值處理每次包括兩個步驟，分別為：第一步的插值方法為：第二步的插值公式為：上面兩式中，Vi表示目標點的高程，其中i＝1、2、3、4、5，H為地形粗糙程度，σ為起伏程度，L為初始格網間距，n為迭代次數，G為服從標準正態(tài)分布的隨機數；使用Matlab的surf函數將坦克模型的矩陣高程數據構建成坦克的幾何模型，然后采用矩陣數據高程疊加的方式，在分形插值后的地表模型中嵌入坦克模型，生成的矩陣數據即為地表和坦克的幾何模型，矩陣數據由若干個網格構成，每個網格代表一個目標點；步驟2：利用距離-多普勒信息對目標點進行定位：式3為距離方程，R為SAR到目標點的斜距，為載機的位置矢量，是目標點的位置矢量，c為光速，τ為所接收到的目標回波相對于發(fā)射脈沖的時間延遲；式4為多普勒頻率方程，fD為觀察到的目標回波多普勒頻率，為SAR與目標間的相對速度矢量，為SAR到目標點的斜距矢...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：胡楚鋒，郭鵬，陳衛(wèi)軍，郭麗芳，潘世洲，郭淑霞，
申請(專利權)人：西北工業(yè)大學，
類型：發(fā)明
國別省市：陜西,61