专利名称：电大复杂体目标与粗糙面背景复合电磁散射数值仿真方法
技术领域：
本发明属于雷达目标成像与监测技术领域，具体涉及一种电大复杂体目标与粗糙面背景复合电磁散射数值仿真方法。
背景技术：
利用雷达对自然背景中体目标的识别与散射成像，并进而对目标重要几何特征进行反演重构的探测技术在民用和军用领域都有着十分重要的应用。比如，识别植被下或地海面背景上的车辆、坦克、舰船等目标，搜索与营救地震或雪崩等自然灾害掩埋中的幸存者，探测遮蔽条件下的隐藏目标等。文献2广4曾提出二维雷达波成像对墙后目标的探测。但是，二维雷达图像是将三维目标朝向雷达运动平面的投影，会导致二维图像中目标几何特征的遮蔽、层叠等失真效应。此外，背景杂波、遮蔽物等都会使目标图像产生模糊、位置偏移等。随后，相继出现了三维成像技术，如合成孔径雷达(synthetic aperture radar, SAR)技术5 13。干涉SAR (interferometric SAR)技术能利用两幅相干二维雷达图像的相位差来反演获取目标强散射中心的高度(即第3维信息)13。但是，该技术对于强散射中心呈面状分布的三维复杂电大目标并不能完全适用。传统二维SAR通过脉冲压缩和一维孔径合成获得距离向和水平方位向的二维图像，将这个思想扩展，可以利用二维合成孔径技术获得水平和垂直方位向的分辨率，再加上通过脉冲压缩获取距离向分辨率，便可实现SAR 三维成像。文献5利用雷达平台合成圆弧形轨道；文献89]将线性天线阵垂直于雷达前进方向放置，采用一个天线发射、一个或多个天线接收的工作机制较快地合成二维孔径，得到三维SAR图像。比如，文献[10]的三维成像机载雷达ARTINO (Airborne radar for three dimensional imaging and nadir observation)禾0用这种方式实验上获取了二维孑L径雷达回波，但其测量数据并未对外公布。上述二维或三维成像研究通常局限于简单物体，如理想的点目标或简单的几何体 (球或方块)，并且往往简单地假设物体各方位上的反射系数为常数。实际上，其值随入射电磁波频率、入射角、反射角的不同而有相当大的变化。此外，背景环境对目标成像的影响往往都是不考虑的。

发明内容
本发明的目的在于提供一种对于粗糙地面背景上三维复杂目标散射、成像与重构具有良好性能的电大复杂体目标与粗糙面背景复合电磁散射数值仿真方法。本发明提供的电大复杂体目标与粗糙面背景复合电磁散射数值仿真方法，是用下视聚束模式的二维圆弧形孔径合成的频率步进雷达，通过作者的BART方法计算粗糙地面背景上三维复杂电大体目标电磁散射回波，获取包含幅度与相位的三维后向散射矩阵。通过波数域的三维插值的均勻重采样数据和三维快速i^ourier变换(3D-FFT)获得三维聚焦图像，实现三维立体目标几何特征的重构。
频率步进雷达的三维目标重构
频率步进(St印Frequency, SF) [17]雷达具有宽频带、高分辨率的特点，同时还具有瞬间窄脉冲的高信噪比的优点，已广泛应用于人造目标的定位、跟踪等。A、基于强散射点模型的成像原理
SF雷达发射一序列的窄脉冲，每个窄脉冲对应于一相应的频率，且在工作频带范围内频率离散且线性递增。假设一组频率步进信号包含^个窄脉冲，频率增量为 “ 则第A个脉冲可以表示成
权利要求
1.一种电大复杂体目标与粗糙面背景复合电磁散射数值仿真方法，其特征在于具体步骤如下第一步获取雷达固定特定位置的后向散射电场的各频率响应机载频率步进雷达发射窄脉冲序列，每个窄脉冲对应于一相应的频率，即假设一组频率步进信号包含f个窄脉冲，频率增量为 W ,则第A个脉冲可以表示成5；=為 exp卜(ι)其中，^个窄脉冲，脉冲持续时间为 ，相邻脉冲时间间隔为Λ小为幅度，/；为中心频率；接收雷达获得该序列脉冲后向散射电场的同极化(HH)和交叉极化分量(HV)，并通过信号相干解调和相位积分器，得到各频率对应的散射电场的幅度和相位； 第二步获得二维合成孔径的雷达后向散射信号收发雷达在二维圆弧形孔径内均勻采样，测量不同入射角度下不同频点的后向散射场，从照射的成像区域中获取维的散射矩阵，超#分别为水平和高度方向的采样点数；第三步采用BART进行数值仿真； 第四步确定重采样区域和采样密度采用一个均勻离散的长方形网格完全包括扇形测量区域，为FFT提供均勻重采样数据；在极坐标系中，在空间谱域进行三元三阶插值，得出重采样数据点； 第五步对矩形均勻重采样数据进行三维FFT，得到三维矩阵，其幅值表示重构区域各散射点的散射强度；第六步将反演得到的三维矩阵中值大于特定阈值的点视为重构出的强散射点，将小于该阈值的点视为无散射点，并将其值设置为零，得到一三维重构矩阵；用Matlab的 isosurf命令，即得到三维目标重构图像。
2.根据权利要求1所述的电大复杂体目标与粗糙面背景复合电磁散射数值仿真方法， 其特征在于得到重采样数据点的具体算法如下由远场近似条件Rn x,y,z ,得到R ^ R0- (x sin θ cos φ+ y sin .^iin φ+ ζ cos θ)R为雷达发射信号点A与能接收到的目标上强散射点之间的距离，礼为雷达发射信号点A到坐标原点的距离；雷达在观测区域内各采样点接收到的散射场为 G(XsYrZ) = JJJg(x,>%z) exp[ j2ir( fX +>'7 + zZ Wxdydz(2)式中
3.根据权利要求1所述的电大复杂体目标与粗糙面背景复合电磁散射数值仿真方法， 其特征在于利用SF雷达得到三维重构图像，其分辨率由雷达工作带宽、二维合成孔径的大小共同决定，其距离向分辨率&为式中B为雷达波带宽，C为光速，Z和方位向分辨率分别为 叙= AmiIwS^y = Kml1^s⑵式中‘为雷达波的最小工作波长，h为沿这ρ方向的合成孔径大小；选取待重构的区域为一矩形区域，设其尺寸为D, X Dy X Ds，根据Nyquist采样定理， 工作在聚束模式下的SAR，必须满足如下采样间隔
4.根据权利要求3所述的电大复杂体目标与粗糙面背景复合电磁散射数值仿真方法， 其特征在于在双向解析射线追踪算法(BART)中，复杂目标剖分为三角形面元及其边相互连接的结构；让一射线从发射源Tx沿着入射方向进行追踪(称为向前追踪)，当入射到面元时将发生几何光学(GO)反射，同时，另一虚拟射线从接收点沿逆出射方向进行追踪(称为向后追踪)；假设向前和向后追踪分别从源Tx和接收点Rx出发，分别经过次向前追踪和 次向后追踪之后，这两束相反方向的射线交汇在同一面元，将该过程等效为 勿次GO反射和 1次PO散射，构成一次散射，则该散射元的散射贡献等效地由其PO散射远场近似计算得到，同时还需计入《次GO反射对入射场的影响和 次GO反射对散射场的影响；该过程的散射场写为
全文摘要
本发明属于雷达目标成像与监测技术领域，具体涉及一种电大复杂体目标与粗糙面背景复合电磁散射数值仿真方法。其步骤为采用下视聚束模式的频率步进雷达，合成二维圆弧形孔径，通过频率步进雷达对电大复杂三维体目标电磁散射的雷达回波数值模拟(观测)，获取包含幅度与相位的三维后向散射矩阵。通过波数域的三维插值，获取在X-Y-Z坐标系中的均匀重采样数据；再对重采样数据进行三维快速Fourier变换获得三维聚焦图像，进而实现了三维立体复杂目标几何特征的重构。数值执行结果证明本发明方法对于粗糙地面背景上三维复杂目标散射监测的模拟、雷达成像与几何特征重构的可行、准确、高效的良好性能。
文档编号G01S13/90GK102176017SQ20111003049
公开日2011年9月7日 申请日期2011年1月28日 优先权日2011年1月28日
发明者戴俊文, 金亚秋 申请人:复旦大学