干涉合成孔径雷达三维陆地场景回波仿真方法

摘要

本发明提供一种干涉合成孔径雷达三维陆地场景的回波仿真方法，技术方案是：首先，对三维陆地场景进行几何建模，把三维陆地场景划分为彼此相邻的小面单元。然后，以小面单元为散射元进行电磁建模，计算散射元的后向散射系数。最后，根据干涉合成孔径雷达系统信号模型，通过计算单条回波，并行生成回波。本发明计算量小，并可采用并行计算方式，能够在现有计算能力下在较短的时间内完成；同时本方法的计算精度高，能够满足干涉合成孔径雷达系统仿真与研究的要求。

主权项

1.一种干涉合成孔径雷达三维陆地场景回波仿真方法，利用已知的三维陆地场景的数字高程模型数据，完成以下步骤：第一步：几何建模第(一)步，数字高程模型数据插值若数字高程模型数据的采样间距为Δx_origin，干涉合成孔径雷达的地距分辨率为Δρ，需要进行的插值次数N_interp为其中，ceil(x)为：ceil(x)＝k，k-1＜x≤k，k为整数对数字高程模型数据进行N_interp次的插值，每次插值的算法如下：设本次插值前数字高程模型数据的点数为I×J，且任一点的位置序号为(i₀，j₀)，1≤i₀≤I，1≤j₀≤J，高程为g(i₀，j₀)；本次插值后数字高程模型数据点数为(2I-1)×(2J-1)，且任一点位置序号为(i′，j′)，1≤i′≤2I-1，1≤j′≤2J-1，高程为f(i′，j′)；用下述步骤计算f(i′，j′)：对i′和j′都为奇数，用下式进行赋值：对i′和j′都为偶数，用下式进行赋值：对i′和j′只有一个为偶数，用下式进行赋值：上述两个公式中的σ为本次插值前数字高程模型数据的标准差，H是三维陆 地场景的频谱指数，G_N为N(0，1)分布的随机变量，Δx为本次插值前数字高程模型数据的采样间距；第(二)步，平面拟合对经过N_interp次插值后数字高程模型数据，以3×3的点阵为基本单位进行划分，形成若干个小面单元；对任意一个小面单元，设该小面单元内任一点的位置序号为(i_s，j_s)，1≤i_s≤3，1≤j_s≤3，高程为f_s(i_s，j_s)，记：用下式计算：可求得该小面单元的法矢量高程z_s＝β₁；第二步，电磁建模设三维陆地场景的中心在地心固连坐标系下的坐标为(x_c，y_c，z_c)，经过第一步得到小面单元的数量为M×N，小面单元距离向间隔为ρ_x，方位向间隔为ρ_y；对任一小面单元，设其法矢量为n₀(m，n)，位置序号为(m，n)，1≤m≤M，1≤n≤N，则该小面单元在地心固连坐标系下的坐标(x_t(m，n)，y_t(m，n)，z_t(m，n))为(x_c+(m-M/2)ρ_x，y_c+(n-N/2)ρ_y，z_c+z_s(m，n))，进行如下步骤的计算： 首先，计算入射角θ_n(m，n)，计算公式为：其中，n_i(m，n)为波束方向矢量，设本次仿真的中心时刻干涉合成孔径雷达天线相位中心在地心固连坐标系下的坐标为(x_a，y_a，z_a)，则然后，采用下式计算后向散射系数σ⁰(m，n)：σ⁰(m，n)＝P₁+P₂exp[-P₃θ_n(m，n)]+P₄cos(P₅θ_n(m，n)+P₆)其中，P₁～P₆为与地形有关的参数；最后，采用下式计算雷达散射截面积σ_F(m，n)：σ_F(m，n)＝σ⁰(m，n) ρ_xρ_y；第三步：回波生成设干涉合成孔径雷达的发射信号为p(τ)，τ为快时间；第(一)步，生成单条回波对每个慢时间l，进行如下步骤的计算：第(1)步，计算系统传输函数首先，计算每个小面单元的斜距；然后，确定每个小面单元在慢时间l时的增益总和，采用下述方法：对位置序号为(m，n)，斜距为R(l，m，n)小面单元，计算其在慢时间l时的增益总和G(l，m，n)为其中，P_t为干涉合成孔径雷达的发射功率，G_t为发射天线增益，G_r为接收 天线增益，λ为发射信号波长；接着，确定每个小面单元的冲激响应，采用下述方法：对位置序号为(m，n)的小面单元，计算冲激信号的幅度A(l，m，n)和相位为：A(l，m，n)＝σ_F(m，n)G(l，m，n)上式中，f₀为干涉合成孔径雷达的中心频率，c为光速；采用延迟近似处理计算冲激响应的延迟Δτ(l，m，n)为：round(x)＝k  ，k-0.5≤x＜k+0.5，k为整数上述ΔT为干涉合成孔径雷达接收信号的采样时间间隔，可得到冲激响应为其中，δ(τ)为单位冲激函数；最后，可以得到在慢时间l的系统传输函数：第(2)步，计算回波信号首先，对发射信号p(τ)进行快速傅利叶变换，得到发射信号的频谱P(f)；对系统传输函数h(l，τ)进行快速傅利叶变换，得到系统传输函数的频谱H(l，f)；然后，把发射信号频谱P(f)和系统传输函数的频谱H(l，f)相乘，得到回波的频谱S(l，f)；最后，对S(l，f)进行快速傅利叶反变换，得到在慢时间l的单条回波s(l，τ)； 第(二)步，并行计算多条回波首先计算在所有慢时间的单条回波，再把每个慢时间生成的单条回波按时间顺序合成，得到多条回波。