两种海面舰船SAR图像仿真方法对比∗

黄佳琦,祝明波,侯建国,董 巍,邹建武

(1.中国人民解放军92819部队,辽宁大连116600;2.海军航空工程学院电子信息工程系,山东烟台264001;3.海军航空管制设备维修中心,北京100071)

0 引言

合成孔径雷达(SAR)是一种利用天线运动形成综合孔径对地面目标实现二维成像的有源微波雷达。它具有全天候、全天时、穿透性强、多参数探测等特点,在军事和民用领域都发挥了巨大的作用。通过有效载荷获取SAR实际图像的方法费时费力,且受环境条件、目标特性的变化、系统参数等一系列因素的限制,无法获取任意条件下的实际数据,从而促进了SAR图像仿真技术的发展。通过SAR图像仿真技术,可高效建立目标参考模板库,对SAR图像目标检测与识别等后续处理提供素材[1-3]。

本文简要介绍了基于图像特征和基于回波信号的SAR图像仿真方法,并用这两种方法分别对海面舰船进行SAR图像仿真。根据得到的仿真图像,对两种仿真方法进行对比研究。

1 SAR成像仿真方法

纵观近年来国内外学者对舰船及其海面背景SAR成像仿真进行研究的方法,都可归结为Giorgio等在1995年总结的两种方法:基于图像特征的仿真方法和基于回波信号的仿真方法。

(1)基于图像特征的仿真方法

这种类型的仿真又称为功能仿真,其流程如图1所示。这种仿真方法不考虑场景目标的散射过程,仅仅根据目标的几何模型或辐射模型来获得SAR仿真图像,或直接利用一幅真实SAR图像的后向散射系数信息来模拟其他成像参数下的图像。这种方法有很多近似,其高效快捷性有利于图像理解、数据获取方案制定和信息反演等,运算简单,实时性强,但由于没有考虑SAR系统参数,不能真实反映SAR系统特征。该方法主要模拟SAR图像的几何特征和辐射特征,并不进行SAR原始回波信号的仿真。

图1 基于SAR图像特征的仿真方法流程

(2)基于回波信号的仿真方法

这是一种端到端的仿真,其流程如图2所示。根据SAR系统工作原理,由目标的后向散射系数模型得到回波数据,再通过成像算法处理SAR原始回波信号获得仿真的SAR图像。这种方法考虑了SAR系统参数,能较真实反映SAR系统特征,但实时性较差,回波仿真数据量大、后续处理复杂。

图2 基于SAR回波信号的仿真方法流程

2 基于图像特征的仿真方法

本文的两种方法,具体实施方案如图3所示。

海面是由线性叠加法反演基于海浪谱的双尺度海面模型生成的动态海面,利用Auto CAD或3D MAX等三维建模软件,将建好的海面与3D舰船模型组合成船海复合模型,根据分辨率和SAR系统要求,将目标模型划分成合适大小的小面单元。同时采用射线追踪法(SBR)来进行面元消隐和遮挡处理,舍去由于自身为背光面和相互之间被遮挡的面元。将剩下的小面单元近似为点目标,根据目标电磁散射特性,运用合适的图形电磁计算方法,得到其散射截面(RCS),生成基于图像特征的仿真图像,或先计算回波,经RD算法处理后,生成基于回波信号的仿真图像[4-6]。

图3 两种仿真方法的实施方案图

2.1 动态海面模型的生成

双尺度海浪谱模型是指海面是由Pierson与Moscowitz提出的P-M谱S1(k)和Fung提出的完全海谱中的S2(k)组成。S1(k)为重力波谱,S2(k)为张力波谱。且条件为

式中,S1(k),S2(k)分别定义为

式中,α是谱相关系数,数值为5.6×10-3,g c是重力加速度,数值为9.81 m/s2,U19.5为海面19.5 m处的风速。

式中,g c=981 cm/s2,k m=3.63 rad/cm,p=5-lg(U∗),U∗是摩擦风速,单位为cm/s。U∗与高度z(cm)时的风速U之间的关系为

当k=0.04 rad/cm时,S1(k),S2(k)二者的谱密度相等。

线性叠加法根据随机海浪的Longuest-Higgins模型,将海面波高表示如下:

式中,ζ(x,y,t)为(x,y)位置t时刻的海面高度,a ij,k i,θj,ωi,εij分别为第i个余弦波的振幅、波数、方向角、角频率和初始相位。

据此海面几何模型生成的某一时刻中海况(海面上方19.5 m处风速10 m/s)时的三维海面如图4所示。

海面与某型护卫舰的3D复合模型如图5所示。

图4 基于双尺度海浪谱的海面模型

图5 舰船海面3D模型

2.2 散射截面的计算

将船海复合模型划分面元之后,采用射线追踪法(SBR)来进行面元消隐和遮挡处理,舍去由于自身为背光面和相互之间被遮挡的面元。根据目标电磁散射特性,计算其散射系数。目前发展的图形电磁计算方法,主要分为数值方法和高频近似方法。数值方法直接对微分或积分方程进行数值求解,因此精确度较高,但受计算机内存和时间的限制,很难应用到海面舰船这样的大尺寸物体的散射。而高频近似方法,由于采用了各种物理近似,实现起来比较简单。目前发展起来比较成熟的高频近似方法有物理光学法(PO)、几何光学法(GO)、物理绕射理论(PTD)、几何绕射理论(GTD)、一致性几何绕射理论(UTD)、等效边缘电磁流法(EEC)和增量长度绕射系数法(ILDC)等。物理光学方法(PO)忽略了边缘和曲面绕射的贡献,该方法占用内存小,计算速度快,在工程上应用非常广泛。本文RCS的计算均采用PO法[7-9]。

电磁波照射到目标后会在目标表面产生感应电流,感应电流向外辐射产生散射场,PO法将目标表面某一点的感应电流等效于电磁波入射到该点时与该点相切的无限大平面所产生的感应电流源,通过对这些感应电流进行近似变换和积分求和获得散射场的解。散射场因感应场有限而保持有限值,这样就克服了无限大平表面和单曲率表面求解过程中散射场计算结果无限大的问题。在满足电大尺寸以及良导体的条件下,面元RCS在高频条件下的计算公式为

式中,θ为面元法向量与电磁波入射方向之间的夹角,即本地入射角,z为面元ds到观察点的距离,ds为面元被照亮区域的面积。

当用PO计算曲面的RCS时,经常出现RCS随频率变化曲线中存在“虚假振荡”,这是由暗区和亮区交界处,感应电流突变为0造成的。根据高频散射理论,曲面的单站RCS主要来源于镜面反射点,即该面元法向量与入射方向非常接近,即θ→0°,在阴影边界,θ→90°,可不必修正镜面散射而通过乘上一个衰减函数cosθ的n次方来消除振荡,即

n是控制住相近似的调节因子。正侧视成像时,雷达可看成“停—走—停”模式,在每个方位向采样点处,计算雷达波束内的面元的RCS,雷达扫描结束后,将所有面元的RCS各自矢量叠加,得到最终目标的RCS。

根据得到的目标RCS,映射到图像空间,即可得到基于图像特征的SAR仿真图像。

在平台飞行速度300 m/s,飞行高度2 000 m,得到某型护卫舰的仿真图像如图6所示。海况为中海况。

图6 基于图像特征的仿真图

3 基于回波信号的仿真方法

该方法在前述计算出各面元RCS的基础上,根据雷达工作过程计算目标的回波,通过RD成像处理算法处理回波,得到仿真图像[10-11]。正侧视SAR成像几何关系示意图如图7所示。

图7 正侧视SAR成像几何关系

设平台最小斜距为R0,平台速度为V,雷达入射角为θ,方位向积累时间为T。通常合成孔径雷达发射的信号是线性调频脉冲串,可表示为

式中,rect(·)为矩形窗函数,fc为载波中心频率,kr为线性调频率,PRT为脉冲重复周期,Tr为脉冲持续时间。

SAR的工作过程为:雷达以一定的PRT发射和接收线性调频脉冲,天线波束照射到海面舰船目标上近似为一矩形区域,区域内各散射面元(点)对入射波后向散射。由于方位向时间变量s远大于距离向时间变量t(典型相差105量级),于是一般可以假设SAR满足“停—走—停”模式,即SAR在发射和接收一个脉冲信号中间,载机未发生运动。在脉冲持续时间Tr中由于海面的波动很小,因此假设在弹载合成孔径雷达发射和接收线性调频脉冲的过程中,海面上各点目标的雷达散射界面是一定值,而在雷达成像的脉冲重复周期内,海面相对变化较大,因此,当弹载合成孔径雷达以一定的PRT发射线性调频脉冲时,海面各个点目标的雷达散射截面是变化的,需根据方位向采样时刻更新海面场景,重新计算海面与舰船目标的散射截面。发射脉冲经过目标和天线方向图的调制,携带目标和环境信息形成SAR回波。

按照雷达工作过程,二维回波信号可以写为

式中,s为慢时间变量,t为快时间变量,w为天线增益,TSAR为合成孔径时间。

在方位向(慢时间域),s是离散的,s=n·PRT+x0/V,其中V是SAR的速度,x0是t=0时刻目标在参考坐标系中的x坐标。为了作数字信号处理,在距离向(快时间域)也要采样,假设采样周期为Tr,则t=m·Tr,方位向发射N个脉冲,距离向采样得到M个样值点,则SAR回波为一N×M矩阵,K个理想点目标的回波经采样后的表达式为

用RD成像算法处理所得回波,在表1所示的仿真参数下,得到的仿真图像如图8所示。

表1 部分仿真参数

图8 基于回波信号的仿真图

4 仿真结果对比分析

对比两种仿真方法得到的仿真图像,可以发现:

1)两种仿真方法都能反映舰船轮廓特征和海面波动特征,且在1 m×1 m分辨率足够高的情况下,还能较为完整地反映舰船目标的细节特征。对比入射角30°和60°两组图像,舰船与海面背景的阴影、叠掩、斜距拉长、透视收缩等特征均能很好地得到体现,较为接近真实的SAR图像特征,说明两种方法均是合理的。

2)从仿真时间上来看,本文仿真所用计算机为工作站,CPU为E3-1230 3.3 GHz,内存8 GB,仿真时间对比如表2所示。

表2 仿真时间对比

基于图像特征的方法由于不需要计算回波,消耗内存小,仿真速度明显快于基于回波信号的方法。

3)由于基于图像特征的仿真方法主要根据图像的特征来仿真,没有考虑SAR系统参数,得到的图像比较平滑。基于回波信号的仿真方法,由于根据雷达的工作过程,计算了回波,虽然耗费时间长,但图像具有目标强散射点引起的星状模糊效果,更加接近真实SAR图像。

5 结束语

本文运用基于图像特征和基于回波信号的两种SAR图像仿真方法,对海面舰船进行SAR图像仿真,并根据实验得到的仿真图像,对两种仿真方法进行对比研究。仿真图像较为接近真实SAR图像,能够较为直观地反映两种方法的优缺点。但本文在计算RCS时,只考虑海面与舰船的一次散射,未考虑海面与舰船对电磁波的多次散射作用,这也将作为后续研究的重点。

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