地面車輛目標高質(zhì)量SAR圖像快速仿真方法

董純柱胡利平朱國慶②殷紅成②

①(電磁散射重點實驗室 北京 100854)

②(中國傳媒大學信息工程學院 北京 100024)

地面車輛目標高質(zhì)量SAR圖像快速仿真方法

董純柱*①②胡利平①朱國慶①②殷紅成①②

①(電磁散射重點實驗室 北京 100854)

②(中國傳媒大學信息工程學院 北京 100024)

為滿足基于模板的SAR地面車輛目標識別對海量高質(zhì)量模板圖像的工程應(yīng)用需求，該文提出了一種基于射線追蹤技術(shù)的SAR信號級高效仿真方法。該方法通過構(gòu)建地面車輛目標SAR仿真場景物理模型并利用射線追蹤方法準確模擬SAR探測過程中電磁波與場景中目標與環(huán)境的作用機理，實現(xiàn)對地面環(huán)境的寬帶相干雜波、表面粗糙的復(fù)雜目標的寬帶電磁散射以及地面-目標間耦合散射的快速計算，并通過SAR成像處理和圖像相似度評估確認形成高質(zhì)量SAR模板圖像。數(shù)值結(jié)果驗證了該文方法的準確性和高效性。

電磁散射；SAR圖像仿真；射線追蹤技術(shù)；隨機散射方法；圖像評估

1 引言

按照是否考慮電磁散射過程，SAR仿真方法可以分為圖像級和信號級兩類方法[1]。圖像級仿真方法僅模擬SAR圖像的特征，不考慮場景中目標與環(huán)境的電磁散射過程，利用現(xiàn)有的或假設(shè)的散射系數(shù)圖(如光學或SAR圖像)來模擬SAR數(shù)據(jù)；信號級仿真方法則關(guān)注電磁散射過程，通過對復(fù)雜地物場景和SAR平臺運動的建模，結(jié)合計算電磁學方法模擬SAR回波數(shù)據(jù)。從本質(zhì)上講，SAR圖像級仿真只是基于點散射源的簡單電磁散射模型，相對而言，SAR信號級仿真則能更加真實地模擬SAR探測過程中電磁波與場景中目標與環(huán)境的作用機理。隨著定量遙感、目標檢測和目標識別等技術(shù)的發(fā)展，SAR信號級仿真已成為國內(nèi)外研究的熱點[2–5]。

基于計算電磁學方法實現(xiàn)對地面車輛目標高質(zhì)量SAR模板圖像快速仿真，是一個極具技術(shù)挑戰(zhàn)性的物理和數(shù)學問題。在解決這一問題的過程中，不

但需要采用解析或統(tǒng)計描述，建立對地面粗糙特性的準確表達，而且必須發(fā)展適合于地面與目標間的復(fù)合電磁散射計算的方法。傳統(tǒng)的采用均方根高度和相關(guān)長度等統(tǒng)計信息來簡單地表征地面，無法反映出地面總體的起伏特性和自身的紋理結(jié)構(gòu)，且僅對較為平坦的地面有效[6]；常見的地面電磁散射模型[7,8]雖然精度較高，但往往都存在一定的推導(dǎo)假設(shè)和適用范圍，并且模型的時間和空間復(fù)雜度通常較高；在地面目標復(fù)合散射特性建模方面，Johnson利用“四路徑”模型計算了無限大介質(zhì)平板上方的介質(zhì)目標的散射[9]；Franceschetti[10,11]基于Kirchhoff近似提出一種模擬地面散射特性的小面元模型，并基于該模型實現(xiàn)了對復(fù)雜地面場景的SAR圖像仿真，但小面元模型無法考慮地面間的多次耦合散射貢獻，并且為了更好地描述地表的隨機起伏，面元的尺寸必須足夠小，致使其對大規(guī)模地面場景散射特性仿真的效率較低；Didascalou[12]提出的基于切平面近似的隨機散射法(SSA)結(jié)合射線投射的思想實現(xiàn)了對微粗糙、中等粗糙和高粗糙面相干和非相干分量的快速計算，但亦無法計算粗糙面不同部分間的耦合散射貢獻；Kulpa等[13]提出幾何光學法(GO)和時域有限差分法(FDTD)混合方法，實現(xiàn)對復(fù)雜地面場景SAR回波的快速仿真，但未對模型的有效性進行充分驗證。國內(nèi)，計科峰等人[14]利用高頻法實現(xiàn)了坦克目標的SAR圖像仿真；張銳等人[15]運用彈射線原理，通過仿真不同位置、不同頻點的目標后向散射系數(shù)來構(gòu)建回波并成像；郭立新等人[16]引入互易性定理結(jié)合高頻算法給出了粗糙面與其上方球形目標和平板目標的復(fù)合電磁散射計算方法。目前，這些電磁計算方法尚缺乏與實際測量結(jié)果比較，同時計算內(nèi)存和時間消耗較大，難以滿足復(fù)雜目標海量高質(zhì)量SAR模板仿真等工程應(yīng)用的需求。

為了實現(xiàn)對地面車輛目標高質(zhì)量SAR模板圖像的快速仿真，本文提出一種基于射線追蹤技術(shù)的SAR信號級快速仿真方法。該方法首先通過建立地面車輛目標SAR仿真場景物理模型，并利用射線追蹤方法精確獲取雷達與目標/環(huán)境的空間幾何關(guān)系；然后，基于隨機散射法原理并結(jié)合地雜波統(tǒng)計模型實現(xiàn)對地面的粗糙特性的高效模擬；再次，基于射線管分裂方法建立表面粗糙的復(fù)雜目標寬帶電磁散射模型，獲取復(fù)雜目標的鏡面反射、邊緣繞射和多次反射貢獻；最后基于射線追蹤方法建立地面場景寬帶耦合電磁散射模型，準確計算目標-環(huán)境間的耦合散射貢獻?；谏鲜龇抡鎴鼍澳Ｐ秃碗姶派⑸淠Ｐ陀嬎愕孛孳囕v目標的掃頻數(shù)據(jù)，并通過時頻變換和成像處理得到車輛目標的SAR圖像，經(jīng)過相似度評估確認形成高質(zhì)量SAR模板圖像。

2 隨機散射方法原理

隨機散射方法的原理如圖1所示，其本質(zhì)是一種蒙特卡羅(Monte Carlo)方法，能夠較真實地模擬射線在微粗糙、中等粗糙甚至高粗糙表面上鏡面反射和漫反射現(xiàn)象。

圖1 隨機散射方法的原理示意圖Fig. 1 Principle of stochastic scattering approach

隨機粗糙方法[12]首先假定粗糙面的局部的起伏高度h為(或近似為)均值為0、標準差為σh的Gauss隨機數(shù)，即

并假定粗糙面自相關(guān)系數(shù)φhh(l)服從指數(shù)分布

式中，L為粗糙面相關(guān)長度。

圖2中，ζx和ζy均為服從均值為0，標準差為σh的高斯分布隨機數(shù)，而

因此，為了能夠獲得仿真場景中各采樣點處的切平面，隨機散射方法僅需額外產(chǎn)生ζx,ζy和采樣點處的起伏高度hz3個相互獨立的均值為0，標準差為σh的Gauss分布的隨機數(shù)。由于采用了切平面近似，隨機散射方法須要滿足下面的適用條件：

圖2 粗糙面局部切平面示意圖Fig. 2 Local tangent plane of rough surface

與小面元模型相似，隨機散射方法同樣基于切平面近似，亦無法考慮環(huán)境面元間的多次耦合散射貢獻，但該方法結(jié)合射線投射思想實現(xiàn)了對隨機粗糙面相干和非相干分量的同步模擬。

3 目標-地面復(fù)合散射特性建模

3.1 SAR仿真場景物理模型

為構(gòu)建適用于電磁散射計算的地面場景的物理模型，需要完成對場景中各物理要素的合理科學配置。主要包括3個步驟：

第1步 地面環(huán)境覆蓋類型和屬性參數(shù)設(shè)定。

針對SAR回波仿真工程應(yīng)用需求，結(jié)合Ulaby地物分類方法，首先按表1對實際地面場景中的地物類型進行分類。

表1 典型地物類型分類及屬性參數(shù)Tab. 1 Categorization and property parameter of typical terrains

其次，按地物類型的不同將地面場景的非均勻網(wǎng)格模型劃分為不同的部件，每一個部件歸集一類地物，或?qū)傩詤?shù)不同的同一類地物(如草地中的高草地和矮草地、森林中的夏日森林和冬日森林，或者雪地中的干雪地和濕雪地等)。

最后，分部件設(shè)定各部件的地物類型和屬性參數(shù)。對于山地、灌木和道路等基本類型地物，可僅設(shè)置其地物類型；對于草地、森林和雪地等復(fù)雜類型地物，除需要設(shè)置其地物類型外，還需進一步明確其屬性參數(shù)，如草高、季節(jié)和干濕等等。

第2步 目標表面材料和粗糙度參數(shù)設(shè)置。由于復(fù)雜目標，尤其是飛機和車輛，各部件在研制過程的工藝精度通常不同，如飛機機翼通常會被銑磨得十分光滑以減小行進時空氣阻力，而通過鑄造等粗加工成型部件如坦克、裝甲等的表面則相對粗糙。為了實現(xiàn)對復(fù)雜目標的電磁散射特性的準確仿真，必須首先實現(xiàn)對目標表面粗糙度定量的描述。

根據(jù)粗糙面散射理論[8]，并依據(jù)工程實際情況，對復(fù)雜目標表面的粗糙程度進行分級處理，具體分級參數(shù)如表2所示。表中，為粗糙面高度起伏均方根，為平均法向偏角；λ0為入射波波長。表面粗糙程度中，一級和二級粗糙適用于描述銑磨等精加工工藝處理得到的光滑或微粗糙表面，如船舷外面等；三級和四級粗糙則適用于描述鑄造等粗加工處理的目標表面粗糙，如坦克、裝甲等。

表2 表面粗糙程度分級參數(shù)Tab. 2 Grading parameters of surface roughness

第3步 目標在場景的姿態(tài)位置自適應(yīng)調(diào)整。在將目標引入到實際地面環(huán)境中時，需要進行目標-環(huán)境的適應(yīng)性裝配處理以確保目標位于地面上且目標的姿態(tài)適應(yīng)于環(huán)境表面總體起伏。另外，還可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)目標方位姿態(tài)，使其朝向給定方位。為了更直觀地理解目標-環(huán)境的適應(yīng)性裝配，圖3給出了將坦克目標配置到地面場景的道路上的適應(yīng)性裝配和姿態(tài)調(diào)整過程示意圖。

圖4給出按上述方法構(gòu)建的90 m×90 m地面上置邊長10 m立方體場景物理模型的效果圖，三角網(wǎng)格尺寸為1 m。圖5為采用文獻[17]方法消隱重構(gòu)的該場景在聚束SAR航跡中心點處的物理模型，三角網(wǎng)格最小尺寸為0.1 m?？梢钥闯?，消隱重構(gòu)的仿真場景模型實現(xiàn)了對SAR探測波束照亮范圍、目標-環(huán)境耦合區(qū)域以及陰影區(qū)域的準確識別，并且消隱過程中的射線管分裂結(jié)果可直接用于電磁散射特性計算，將顯著提高SAR模板圖像的仿真效率。

圖3 坦克與道路姿態(tài)位置自適應(yīng)調(diào)整過程示意圖Fig. 3 Adjustment procedures of introducing tank onto road surface

3.2 表面粗糙的復(fù)雜目標電磁散射模型

本節(jié)利用改進的射線彈跳法和等效邊緣流法快速預(yù)估目標粗糙表面的鏡面反射、多次反射以及細分邊緣的繞射3種高頻散射主要貢獻，建立表面粗糙的復(fù)雜目標寬帶電磁散射模型。具體步驟如下：

第1步 基于消隱處理中構(gòu)建的細分子射線管，采用口面積分法計算各子射線管的多次反射場，通過相干疊加獲得目標多次反射貢獻。

為了模擬目標表面隨機起伏特性對目標表面散射特性的影響，在射線追蹤到的各個反射點Pj處做如下修正：

圖6 目標粗糙表面局部坐標系示意圖Fig. 6 Local coordinate system of target with rough surfaces

大量仿真實驗表明，引入上述對射線反射點的高程修正和反射面法向的隨機偏轉(zhuǎn)能夠較好地模擬由目標表面粗糙引起的漫反射效應(yīng)。

第2步 基于重構(gòu)的可見三角網(wǎng)格模型識別目標區(qū)自然邊緣，并利用等效邊緣流法計算復(fù)雜目標的邊緣繞射貢獻。為了模擬目標表面隨機起伏特性對邊緣繞射特性的影響，對識別出的各個自然邊緣Ej做如下處理：

而細分邊緣位置矢量

圖7 目標細分邊緣結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 7 Subdivided edge structure of complex target

相應(yīng)地，細分邊緣內(nèi)角修正為：

第3步 將上兩步得到粗糙表面的鏡面反射場、多次反射場以及細分邊緣繞射場相干疊加，獲得準確的復(fù)雜目標電磁散射數(shù)據(jù)。

3.3 地面環(huán)境的寬帶電磁散射模型

為提高地面雜波仿真效率，借鑒隨機散射方法思想并結(jié)合粗糙面散射的統(tǒng)計模型，實現(xiàn)對大規(guī)模地面場景寬帶相干雜波的快速仿真。

美國天線實驗室的Ulaby和密執(zhí)安大學的Dobson提出一種適用于平穩(wěn)區(qū)和接近垂直入射區(qū)的模型(后簡稱ULABY模型)[18]：

式中，θi是雷達的入射角，單位為弧度(rad)；σ0和SD分別為后向散射系數(shù)均值和標準差，單位均為dB。M1,M2,M3和P1～P6是根據(jù)雷達測量數(shù)據(jù)擬合出的經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛥?shù)。

與僅能考慮雷達波與環(huán)境表面一次作用的隨機散射方法不同，本文提出的射線追蹤方法能計算地面的一次反射和多次反射貢獻。

射線追蹤方法的原理如圖8所示，該方法在進行地面反射路徑的追蹤過程中，根據(jù)地面局域的粗糙參數(shù)產(chǎn)生采樣點位置矢量

圖8 射線追蹤方法的原理示意圖Fig. 8 Principle diagram of the proposed ray-tracing method

3.4 目標-環(huán)境的耦合散射模型

為了提高射線追蹤技術(shù)計算目標-環(huán)境耦合散射的效率，采用與“四路徑”方法相似的策略，只考慮射線與環(huán)境發(fā)生一次作用的耦合路徑上的散射貢獻。分兩種情況考慮：

(1) 目標→環(huán)境路徑耦合散射：首先，計算射線在目標表面的鏡面/多次反射方向

(2) 環(huán)境→目標路徑耦合散射：利用式(16)和式(17)獲得的射線在地面采樣點計算射線在環(huán)境表面的反射方向

基于地面粗糙面修正的菲涅耳反射系數(shù)計算反射點的幾何光學(GO)反射場為新的入射方向，為入射場計算目標的多次反射貢獻

最后，總的耦合散射貢獻可表達為：

式中，Ntr為目標→環(huán)境耦合散射路徑數(shù)；Ncr為環(huán)境→目標路徑耦合散射路徑數(shù)。值得注意的是，在進行式(22)相干累加前，耦合散射貢獻應(yīng)已完成以SAR平臺當前軌跡點位置為相位參考零點的相位補償處理。

4 數(shù)值結(jié)果

圖9為三型車輛目標的幾何模型圖。為便于比較，參照MSTAR數(shù)據(jù)[19]機載SAR測量參數(shù)設(shè)計表3所示的SAR仿真參數(shù)。仿真中，設(shè)定地面環(huán)境為矮草地，由ULABY模型確定其在X波段的后向散射系數(shù)均值為–28.90 dB，方差為2.95 dB。

圖9 車輛目標的幾何模型效果圖Fig. 9 Geometric models of ground vehicles

表3 車輛目標聚束SAR仿真參數(shù)Tab. 3 Spotlight SAR parameter for ground vehicle simulation

基于本文電磁散射建模方法仿真獲取草地上三型車輛目標在HH極化下的各軌跡采樣點處的寬帶復(fù)合散射數(shù)據(jù)，并采用R-D算法直接對寬帶數(shù)據(jù)進行成像處理得到0.2 m像素間隔的SAR仿真圖像，如圖10所示。每組圖像中前10幅圖像的方位角范圍為[0,90°]，間隔為10°；第11幅圖的方位角為135°，第12幅圖的方位角為180°。

圖10 草地上車輛目標SAR圖像仿真結(jié)果Fig. 10 Simulated SAR images of ground vehicles on grassland

從圖10可以看出，由于考慮了目標的散射、環(huán)境的散射、目標-環(huán)境的耦合散射以及遮擋效應(yīng)，SAR圖像中呈現(xiàn)明顯的目標、環(huán)境和陰影區(qū)域，亮暗對比關(guān)系與目標-環(huán)境的復(fù)合散射機理一致；從表4到表6典型方位角下的仿真圖像與MSTAR實測圖像對比結(jié)果可以看出，仿真圖像的視覺效果逼真，較為成功。另外，在Core i7 4770 k, NVIDIA GTX780單機上，車輛目標每幅SAR圖像的仿真時間約為20 min，峰值內(nèi)存需求約700 MB；單個車輛目標全方位360幅(方位間隔1°)的SAR模板圖集仿真任務(wù)能夠在5天內(nèi)完成，基本滿足實際工程應(yīng)用對SAR模板圖像仿真效率的需求。

進一步，為量化研究仿真結(jié)果與MSTAR數(shù)據(jù)的相似程度，定義仿真圖像和實測圖像的特征向量f和g之間的相似度為[20]：

C值越大，仿真圖像和實測圖像之間的相似程度越大；反之，相似程度就越小。

從BMP-2, BTR-70和T-72仿真SAR模板圖集中提取與MSTAR數(shù)據(jù)(子類名稱為SN_9563, SN_C71和SN_132, 17°擦地角下的圖像切片)最鄰近方位角上的233, 233和232個相應(yīng)的圖像進行相似

度評估。圖11給出了文獻[14]的平移最大相關(guān)系數(shù)、文獻[15]的PCA和文獻[20]徑向積分特征的相似度評估結(jié)果，相似度均值統(tǒng)計結(jié)果如表7所示。

表7 不同方法下車輛目標仿真與實測圖像的相似度均值Tab. 7 Mean values of image similarities with different methods

對比分析可知，不同方法下車輛目標仿真與實測圖像的相似度均值在70%以上，亦說明仿真較為成功；基于特征的相似度均值在90%以上，表明絕大多數(shù)的仿真圖像的散射強點分布、散射強點區(qū)域輪廓以及陰影輪廓等幾何特征均與實測圖像高度吻合，驗證了本文方法可以獲取車輛目標的高質(zhì)量SAR圖像。另外，與T-72相比，BMP-2和BTR-70在頭向、側(cè)向和尾向附近方位角下仿真與測量圖像相似度相對較低，這主要是BMP-2和BTR-70在這些角度的散射特性與目標表面復(fù)雜細節(jié)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，而仿真中采用的兩型目標的幾何模型對這些細節(jié)的描述不足所致。下一步，將構(gòu)建更為精細的車輛目標的幾何模型，進一步提高電磁散射特性仿真精度和效率，擴展目標-地面復(fù)合電磁散射模型的適應(yīng)范圍，實現(xiàn)對各類復(fù)雜車輛目標SAR圖像的實時/準時精確仿真。

5 結(jié)論

本文提出的基于射線追蹤技術(shù)的SAR信號級快速仿真方法通過對地面復(fù)雜車輛目標-環(huán)境的復(fù)合散射特性以及SAR圖像幾何特征的快速準確模擬，實現(xiàn)了對地面車輛目標高質(zhì)量SAR模板圖像快速仿真。經(jīng)實測數(shù)據(jù)校驗評估后，基于本文方法仿真獲取的地面車輛、機場飛機等目標的SAR模板圖像庫可為地面目標的識別研究和系統(tǒng)研制提供基礎(chǔ)支撐。

致謝特別感謝廈門大學近海海洋環(huán)境科學國家重點實驗室的耿旭樸博士在論文SAR回波仿真和成像處理研究中給予作者的幫助。另外，感興趣的讀者可通過郵件索取論文全部角度的仿真圖像。

圖11 三型車輛目標仿真與MSTAR實測圖像相似度結(jié)果Fig. 11 SAR image similarity evaluated results of the ground vehicles

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董純柱(1981–)，男，河南人，博士，高工，主要研究方向為電磁散射、SAR目標建模和目標識別。

E-mail: dongcz207@163.com

胡利平(1979–)，女，河南人，博士，高工，主要研究方向為SAR圖像處理、目標檢測與目標識別。

E-mail: fox_plh@163.com

朱國慶(1986–)，男，湖南人，碩士，工程師，主要研究方向為電磁散射和SAR目標建模。

E-mail: rilyd123@163.com

殷紅成(1967–)，男，江西余江人，研究員，專業(yè)總師，博士生導(dǎo)師，主要研究方向為電磁散射、雷達目標特性、目標識別。

E-mail: yinhc207@126.com

Efficient Simulation Method for High Quality SAR Images of Complex Ground Vehicles

Dong Chun-zhu①②Hu Li-ping①Zhu Guo-qing①②Yin Hong-cheng①②

①(National Electromagnetic Scattering Laboratory,Beijing100854,China)

②(Information Engineering School,Communication University of China,Beijing100024,China)

Aiming at meeting the requirement of the amass high-quality SAR images needed by template-based ground target recognition engineering practice, a novel efficient SAR signal level simulation method is proposed. The electromagnetic scattering interaction mechanisms including coherent clutter of ground, multiple reflection and edge diffraction of vehicle, coupling-scattering between vehicle and ground are accurately estimated by utilizing an efficient ray-tracing technique. High quality SAR images are finally created through the SAR imaging procedure. Simulation results show that, the new method is feasible and effective.

Electromagnetic scattering; SAR image simulation; Ray-tracing technique; Stochastic Scattering Approach (SSA); Image evaluation

TN958

A

2095-283X(2015)03-0351-10

10.12000/JR15057

董純柱, 胡利平, 朱國慶, 等. 地面車輛目標高質(zhì)量SAR圖像快速仿真方法[J]. 雷達學報, 2015, 4(3): 351–360.

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Reference format:Dong Chun-zhu, Hu Li-ping, Zhu Guo-qing,et al.. Efficient simulation method for high quality SAR images of complex ground vehicles[J].Journal of Radars, 2015, 4(3): 351–360. DOI: 10.12000/JR15057.

2015-05-15收到，2015-07-14改回

自然科學基金重大項目(61490695)資助課題

*通信作者： 董純柱 dongcz207@163.com