兩種海面艦船SAR圖像仿真方法對比?

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(SAR)是一種利用天線運動形成綜合孔徑對地面目標實現(xiàn)二維成像的有源微波雷達。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),可高效建立目標參考模板庫,對SAR圖像目標檢測與識別等后續(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行SAR圖像仿真。根據(jù)得到的仿真圖像,對兩種仿真方法進行對比研究。

1 SAR成像仿真方法

縱觀近年來國內(nèi)外學者對艦船及其海面背景SAR成像仿真進行研究的方法,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的散射過程,僅僅根據(jù)目標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合模型,根據(jù)分辨率和SAR系統(tǒng)要求,將目標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,根據(jù)目標電磁散射特性,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處的風速。

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

當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處風速10 m/s)時的三維海面如圖4所示。

海面與某型護衛(wèi)艦的3D復合模型如圖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

將船海復合模型劃分面元之后,采用射線追蹤法(SBR)來進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法(PO)、幾何光學法(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。物理光學方法(PO)忽略了邊緣和曲面繞射的貢獻,該方法占用內(nèi)存小,計算速度快,在工程上應用非常廣泛。本文RCS的計算均采用PO法[7-9]。

電磁波照射到目標后會在目標表面產(chǎn)生感應電流,感應電流向外輻射產(chǎn)生散射場,PO法將目標表面某一點的感應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)生的感應電流源,通過對這些感應電流進行近似變換和積分求和獲得散射場的解。散射場因感應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,雷達可看成“?！摺！蹦Ｊ?在每個方位向采樣點處,計算雷達波束內(nèi)的面元的RCS,雷達掃描結(jié)束后,將所有面元的RCS各自矢量疊加,得到最終目標的RCS。

根據(jù)得到的目標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)雷達工作過程計算目標的回波,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,雷達入射角為θ,方位向積累時間為T。通常合成孔徑雷達發(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為脈沖重復周期,Tr為脈沖持續(xù)時間。

SAR的工作過程為:雷達以一定的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發(fā)射和接收線性調(diào)頻脈沖的過程中,海面上各點目標的雷達散射界面是一定值,而在雷達成像的脈沖重復周期內(nèi),海面相對變化較大,因此,當彈載合成孔徑雷達以一定的PRT發(fā)射線性調(diào)頻脈沖時,海面各個點目標的雷達散射截面是變化的,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的散射截面。發(fā)射脈沖經(jīng)過目標和天線方向圖的調(diào)制,攜帶目標和環(huán)境信息形成SAR回波。

按照雷達工作過程,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時刻目標在參考坐標系中的x坐標。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個理想點目標的回波經(jīng)采樣后的表達式為

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的細節(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?；诨夭ㄐ盘柕姆抡娣椒?由于根據(jù)雷達的工作過程,計算了回波,雖然耗費時間長,但圖像具有目標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。

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