SAR成像方法及其成像系統(tǒng)分析

王龍

摘? 要：本文對SAR成像仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行分析，并通過系統(tǒng)仿真的方式，將場景模型的散射特點充分體現(xiàn)出來，在三維場景與SAR傳感器仿真融合基礎(chǔ)上繪制仿真圖像。根據(jù)仿真結(jié)果可知，speckle的數(shù)值與成像效果具有反比關(guān)系，可結(jié)合仿真要求選擇最佳speckle數(shù)值，在滿足仿真精度要求的情況下，有效控制噪音量，從而生成效果更為理想的仿真SAR圖像。

關(guān)鍵詞：SAR成像方法;成像系統(tǒng);仿真分析

引言

SAR成像具有全天候、可穿透性強等特點，在現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中具有重要作用，在軍事領(lǐng)域前景廣闊。在科技飛速發(fā)展之下，雷達設(shè)備更加復(fù)雜，測試飛行投入的時間與資本逐漸增加，利用SAR成像系統(tǒng)進行仿真分析顯得十分必要。對此，可結(jié)合仿真實際需求，依靠R-D改進算法與三維建模軟件促進系統(tǒng)高效應(yīng)用。

1SAR成像仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

針對當(dāng)前SAR成像中運行效率較低、計算量眾多、無法滿足成像仿真實時性要求的問題。本文提出一種簡化的SAR仿真系統(tǒng)設(shè)計方法，其基本結(jié)構(gòu)如下圖1所示。該系統(tǒng)主要包括場景建模、場景控制、傳感器與仿真顯示四個模塊，通過部分環(huán)節(jié)優(yōu)化設(shè)計，忽視從散射分布圖到SAR的原始回波數(shù)據(jù)處理流程。借助散射分布圖直接將SAR圖像映射出來，有效減少計算量，同時也使得仿真精度得到提升。

2SAR成像系統(tǒng)的仿真分析

在系統(tǒng)仿真過程中，為了正確體現(xiàn)場景模型的散射特點，應(yīng)將三維場景與SAR傳感器仿真原理相結(jié)合，由此形成SAR仿真圖像。仿真過程、實現(xiàn)方式與關(guān)鍵技術(shù)如下。

2.1傳感器仿真原理

雷達傳感器的仿真難度相對較大，本文采用radarwork對SAR傳感器進行仿真。Radarwork是在vega基礎(chǔ)模塊之外的擴展模塊，以物理機制為基礎(chǔ)進行成像仿真，可達到真實雷達設(shè)備要求，將形成的散射分布圖與定義的雷達參數(shù)結(jié)合起來形成雷達圖像。Radarwork提供可視化界面，可對各項參數(shù)進行設(shè)置，包括極化方式、發(fā)射頻率、運動補償、分辨率等等，使SAR傳感器在多種工況下靈活運行。此外，radarwork不但具有參數(shù)設(shè)置功能，還支持在主控程序中對參數(shù)進行調(diào)節(jié)。因此，在仿真中可隨時對傳感器的運動參數(shù)進行獲取和修正。

2.2仿真圖像生成

該環(huán)節(jié)主要由系統(tǒng)中的顯示模塊來實現(xiàn)。當(dāng)場景控制模塊中生成散射分布圖后，顯示模塊可結(jié)合場景控制模塊中的參數(shù)、散射圖等內(nèi)容，將SAR圖像在大屏幕中顯示出來。為了提高圖像的真實性，需要對分辨率、噪聲、FFT點數(shù)等指標(biāo)進行計算，具體如下。

2.2.1分辨率

該圖像分辨率的計算公式可表示為：

式中，prf代表的是脈沖重復(fù)頻率，單位為Hz;R代表的是目標(biāo)與雷達之間的距離，單位為m;v代表的是傳感器平臺位移速度，單位為m/s;γ代表的是斜視角;λ代表的是電磁波長度，單位為m。

2.2.2噪聲模擬

回波與發(fā)射頻率之間存在一定關(guān)聯(lián)，可將其稱為閃爍。在SAR圖像中，由一個或者多個像素體現(xiàn)出來，如若與其他像素相比更亮，說明存在圖像噪聲。究其原因，在相同頻率上高反射物在其他頻率上的反射相對較少，可利用多視技術(shù)對雷達頻率進行修改，取均值使此類噪聲降到最低。系統(tǒng)通過設(shè)置相同頻率跳動開關(guān)的方式，對此種效果進行模擬。在開啟頻率跳動開關(guān)后，無需在仿真圖像中加入斑點噪音;將跳動開關(guān)閉合后對斑點噪音的頻率進行調(diào)整，由此控制圖像噪音量，使其達到最低狀態(tài)，進而對SAR圖像的仿真效果進行模擬^[2]。

2.3仿真結(jié)果分析

在仿真實驗環(huán)境中，PC機的配置為Intel（R）Core（TM）2，內(nèi)存為1G;在軟件配置方面，為vega3.7.0。本文分別在四種環(huán)境條件下開展實驗，仿真實驗的相關(guān)參數(shù)為：發(fā)射頻率分別為a是8—12GHz，b是18-27GHz，c是8—12GHz，d是8—12GHz;極化方式為：a、b和d均為VV，c是VH;最小距離四種均為-30，頻率跳變前三種為on，第四種為off;運動補償殘差方面，前三種均為“理想”;第四種為“中等誤差”。四種環(huán)境下的仿真結(jié)果如下圖2—5所示。

為了判斷分辨率與噪音參數(shù)對成像效果產(chǎn)生的影響，利用結(jié)構(gòu)相似度方式進行圖像評價，可用以下公式表示：

式中，X與Y分別表示參與對比的兩幅圖像，當(dāng)二者完全相同時取值為1;1（x，y）代表的是亮度方面的對比;c（x，y）代表的是對比度;s（x，y）代表的是圖像結(jié)構(gòu)對比;對成像效果的影響如下圖6所示。根據(jù)影響曲線可知，speckle的數(shù)值與成像效果具有反比關(guān)系，可結(jié)合仿真要求選擇最佳speckle數(shù)值。通過對影響曲線分析可對各項參數(shù)進行優(yōu)化，從而生成效果更為理想的仿真SAR圖像。

結(jié)論：綜上所述，本文針對SAR成像的R-D算法進行分析，并通過仿真模擬的方式，對SAR在不同環(huán)境下的成像效果進行模擬。根據(jù)仿真結(jié)果可知，speckle的數(shù)值與成像效果具有反比關(guān)系，可在滿足仿真精度要求的情況下，有效控制噪音量，從而生成效果更為理想的仿真SAR圖像。在后續(xù)研究中可從擴展散射模塊著手，將紋理分割規(guī)則加入其中進行深入探究。

參考文獻

[1] 姜沛.兩種寬帶雷達的SAR成像方法及實驗應(yīng)用[D].國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2019.

[2] 朱豐，張群，顧福飛，等.壓縮感知SAR成像方法及抗相干干擾性分析[J].現(xiàn)代雷達，2019（8）：20-28.