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1、(10)申请公布号 CN 103336272 A (43)申请公布日 2013.10.02 CN 103336272 A *CN103336272A* (21)申请号 201310098733.9 (22)申请日 2013.03.26 G01S 7/41(2006.01) G01S 13/90(2006.01) (71)申请人 中国科学院电子学研究所 地址 100190 北京市海淀区北四环西路 19 号 (72)发明人 唐侃 付琨 王宏琦 (74)专利代理机构 北京理工大学专利中心 11120 代理人 高燕燕 (54) 发明名称 一种基于几何结构的复杂目标 SAR 图像仿真 方法 (57) 摘。
2、要 本发明的目的是提供一种基于几何结构的复 杂目标 SAR 图像仿真方法， 能够获得多种视角， 多 种分辨率的仿真图像， 用于辅助 SAR 图像解译和 复杂目标的自动识别。第一步、 读入目标 3D 模型 文件并获取空间信息 ； 通过读取目标表面各三角 面元的顶点坐标， 计算三角面元法向量， 获取目标 空间信息 ； 第二步、 SAR 成像几何仿真 ； 根据雷达 侧视成像原理， 判断目标表面接收到雷达信号的 面元， 并记录每个可见面元在图像上的投影位置 ； 第三步、 计算目标模型每个位置的相对后向散射 强度 ； 第四步、 SAR 仿真图像生成。 (51)Int.Cl. 权利要求书 4 页 说明书 。
3、6 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书4页 说明书6页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103336272 A CN 103336272 A *CN103336272A* 1/4 页 2 1. 一种基于几何结构的复杂目标 SAR 图像仿真方法， 其特征在于， 包括以下步骤 ： 第一步、 读入目标3D模型文件并获取目标空间信息:通过读取目标表面各三角面元的 顶点坐标， 计算三角面元法向量， 获取目标空间几何信息 ； 第二步、 SAR 成像几何仿真 : 由第一步得到的目标表面各三角面元空间位置， 根据雷达 侧视成像原理， 判断目标表面可以接。
4、收并反射雷达信号的面元， 并记录每个可见面元在图 像上的投影位置 ； 第三步、 计算目标模型上各位置的相对后向散射强度 : 根据第二步记录的可见面元位 置， 首先利用 phong 朗伯漫反射镜面反射模型计算可见面元上的单次散射 ； 然后再根据 可见面元组合的二面角计算目标模型上二次散射现象 ； 第四步、 SAR 仿真图像生成 : 将第三步计算的单次散射和二次散射分别叠加到目标在 图像上的投影位置， 生成仿真后向散射系数图像， 然后再添加斑点噪声， 直接生成一个均值 为 1 的二维瑞利分布来表示均匀区域相干斑噪声， 相干噪声为乘性噪声， 以乘积的形式添 加噪声到后向散射系数图中， 最后得到仿真图。
5、像。 2.如权利要求1所述的一种基于几何结构的复杂目标SAR图像仿真方法， 其特征在于， 其中第二步中判断目标表面接收到雷达信号的面元采用以下方法 ： 2.1、 设置雷达系统参数， 包括 ： 雷达飞行高度 h， 雷达与目标距离 R， 信号入射角 ， 距 离向分辨率 slr， 方位向分辨率 a； 2.2、 定义 SAR 场景坐标系， 水平距离向为 X 轴， 方位向为 Y 轴， Z 轴为高度向， 坐标原点 位于目标附近， 雷达初始坐标为 S -htg,0,h ； 2.3、 规定 SAR 仿真图像雷达侧视距离向为 X 轴， 雷达方位向为 Y 轴 ； 2.4、 在 SAR 空间坐标系下调整目标模型姿态。
6、角 ， 调整方式如下 ； 2.5、 考虑 SAR 成像机理和后期成像处理过程， 忽略雷达发送和接收信号的时间间隔， 雷达定点收发信号， 在 SAR 场景坐标系进行方位向离散化处理， 在一个方位向分辨率单元 进行成像几何处理， 完毕后， 再按方位向步长移动到下一分辨率单元 ； 2.6、 从雷达第一个收发信号位置 Yi， i 0 开始， 到雷达移动到下一位置 Yi+1前， 目标 模型上位于Yi与Yi+1之间的面元可以接收到信号辐射， 在计算目标模型后向散射系数图前， 利用目标模型与雷达间的位置及照射关系， 对可见面元进行判断 ； 2.7、 经过消隐处理后， 所有的可见线段间不存在遮挡， 按一定顺序。
7、记录可见线段及其 所属的可见面元， 计算目标各个局部位置的后向散射数， 以及确定目标阴影的图像位置 ； 2.8、 计算阴影部分的投影位置 ； 2.9、 雷达向前移动一个方位向步长， 重复所述步骤 2.6 至 2.8， 不断向前移动雷达在方 位向的位置， 直到目标离开雷达照射范围。 3.如权利要求2所述的一种基于几何结构的复杂目标SAR图像仿真方法， 其特征在于， 其中步骤 2.5 中成像几何处理采用以下方法 ： 2.5.1、 设定方位向步长等于方位向分辨率 step a， 每次雷达收发信号所在位置的 权 利 要 求 书 CN 103336272 A 2 2/4 页 3 Y 轴的坐标为 a的整数。
8、倍， a,2a,3a.Na； 2.5.2、 投影到 SAR 图像坐标系中， 雷达每次在 Y 轴方向移动一个像素单元 ； 2.5.3、 为了保证方位向采样率， 方位向步长减小为 a的分数倍， 此时对应 SAR 图像坐 标系 Y 轴方向半个像素单元 ； 同时收发信号的起点是方位向分辨率的分数倍 a/m， 此时， 雷达停留位置的 Y 轴坐标为 Yi a/m+istep， X 轴和 Z 轴坐标保持不变。 4. 如权利要求 2 或 3 所述的一种基于几何结构的复杂目标 SAR 图像仿真方法， 其特征 在于， 其中步骤 2.6 中对可见面元进行判断采用以下方法 ： 2.6.1、 首先， 目标模型被 XZ 。
9、平面 y Yi切割， 记录与之相交的面元 P 以及相交面元 P 在 XZ 平面上的相交线段 L， 相交线段记录方式为 L h,t,dh,dt， h， t为线段两端 点与雷达的垂直夹角， dh， dt为线段两端点与雷达的距离 ； 其中 (xh,Yi,zh) 是相交线段一端点的坐标， (-htg,Yi,h) 是雷达坐标 ； 2.6.2、 目标上垂直夹角范围相同的两条相交线段 Li h,t,dhi,dti， Lj h,t,dhj,dtj， 且dhidhj,dtidtj， 则与雷达距离近的相交线段Li可见， 距离远的Lj被 遮挡， 如果相交线段被部分遮挡， 线段端点移动到未被遮挡的位置， 同时与之对应。
10、的相交面 元也是部分可见。 5. 如权利要求 2 或 3 所述的一种基于几何结构的复杂目标 SAR 图像仿真方法， 其特征 在于， 其中步骤 2.7 中确定目标阴影的图像位置采用以下方法 ： 2.7.1、 按与可见线段端点雷达的垂直角度从小到大顺序记录可见线段L1， L2， 最小角 度记为 min， 最大角度记为 max； 2.7.2、 对应可见面元的记录顺序与对应的可见线段一致， 记录方式为 dh， dt为面元两端与雷达的距离， 为面元法向量 ； 2.7.3、 可见面元的记录顺序等于面元的连接顺序， 包含了目标结构信息 ； 2.7.4、 目标模型表面上可见面元在仿真图像上的距离向， 即 Y 。
11、轴投影位 置由dh/slr和dt/slr决定， 方位向， 即X轴投影位置由面元所在方位向分辨率单元序号决 定 ； 该小面元影射到 SAR 图像的 (kh,i) 至 (kt,i) 单元， 其中 kh， kt为 SAR 图像距离向序号， i 为 SAR 图像方位向序号。其中 kh dh/slr， kt dt/slr， 表示取整。 6. 如权利要求 2 或 3 所述的一种基于几何结构的复杂目标 SAR 图像仿真方法， 其特征 在于， 其中步骤 2.8 中计算阴影部分的投影位置采用以下方法 ： 2.8.1、 G1， G2 为两地面点， 与雷达的垂直夹角分别为 min， max， G1， G2 点在 X。
12、Z 平面上 与雷达的水平距离为 htgmin， htgmax； 2.8.2、 地面回波在 G1， G2 的部分被目标所遮挡， 从 G1 的图像投影点 G1 起始， x 的 距离范围内没有地面回波信号， 其中 G1 的图像位置为 (kG1,i)， kG1 h/cosmin/slr ； 权 利 要 求 书 CN 103336272 A 3 3/4 页 4 2.8.3、 最终阴影部分开始于 G1 与目标最远回波的投影点间较远的位置， 结束于 G2 的 图像投影点， G1 的图像位置为 (kG2,i)， kG1 h/cosmax/slr。 7.如权利要求1所述的一种基于几何结构的复杂目标SAR图像仿真。
13、方法， 其特征在于， 其中第三步中计算单次散射采用下述方法 ： 3.1.1、 计算模型可见面元上的漫反射系数， 计算方式如下 ： 其中 kd是漫反射系数， 当目标表面材质为光滑的金属表面时取 kd 0.1， 目标表面为 粗糙时取 ks 0.3， 是面元法向量，是雷达信号入射方向向量， 3.1.2、 计算模型可见面上的镜面反射系数， 计算方式如下 ： 其中 ks是镜面反射系数， 是入射信号方向向量 和镜面反射光线方向向量 的角平 分线方向向量， p 是镜面反射光线锐度系数， 当目标表面材质为光滑的金属表面时取 ks 0.4， 目标表面为粗糙时取 ks 0.2， 其它时候根据目标表面的粗糙度情况在。
14、 0.2 与 0.4 之 间调整， 取 p 8 ； 3.1.3、 目标模型表面单次散射系数 1 d+s。 8.如权利要求2所述的一种基于几何结构的复杂目标SAR图像仿真方法， 其特征在于， 其中第三步中计算目标模型上二次散射采用以下方法 ： 3.2.1、 在目标模型上搜寻二面角反射器和近似二面角反射器， 在步骤 2.6 中记录了面 元按照的相邻关系记录， 通过计算相邻面元的夹角及夹角朝向来实现对目标表面适合的二 面角发射器的搜寻， 当相邻面元的夹角在 90 15并且夹角朝向雷达方向， 保留候选 ； 3.2.2、 计算二次散射在仿真图像上的位置， 目标表面二面角反射器的位置决定此二面 角产生的二。
15、次散射位置， 方位向位置等同于二面角反射器在方位向的位置， 距离向位置近 似等于二面角的顶点与雷达的距离 ； 3.2.3、 计算二次散射强度， 二次散射强度与发生二次散射的二面角反射器尺寸大小 a,b， 反射器角度与直角的偏离角度 ， 反射器相对雷达信号的姿态角有关， 当直角二面 角反射器， 姿态角度 0时， 二次反射最强烈， 计算方式如下 : 取 kdb 0.3， A=2。 9.如权利要求1所述的一种基于几何结构的复杂目标SAR图像仿真方法， 其特征在于， 第四步中生成仿真后向散射系数图像采用以下方法 ： 4.1.1、 首先生成背景图像， 设背景散射均匀， 取统一灰度值 (x,y)=A， 取。
16、 A=0.1， 图像 灰度范围 (0,1) ； 4.1.2、 计算目标模型上的单次散射， 二次散射的后向散射系数叠加到后向散射系数图 相应的单元中 ； 权 利 要 求 书 CN 103336272 A 4 4/4 页 5 4.1.3、 阴影图像生成， 在被目标遮挡的位置， 即 kG1与 kG2之间的图像单元， 减去背景部 分信号 ； 即 ： 权 利 要 求 书 CN 103336272 A 5 1/6 页 6 一种基于几何结构的复杂目标 SAR 图像仿真方法 技术领域 0001 本发明属于合成孔径雷达技术领域， 涉及一种 SAR 仿真成像的方法， 尤其涉及一 种基于几何结构的复杂目标 SAR 。
17、图像仿真方法。 背景技术 0002 合成孔径雷达 (SAR， Synthetic Aperture Radar) 是一种主动式的高分辨率的微 波成像雷达， 由于具有全天时、 全天候等优点， 它在军事侦察、 地球遥感、 海洋研究、 环境保 护以及灾情检测等方面有着广泛的应用。SAR 能够提供全天候条件下详细的地面测绘资料 和图像以及具有穿透性的观察视场， 利用 SAR 图像可以较为容易地发现和识别飞机 ( 群 )、 坦克、 机场和停机坪、 各种车辆等。针对 SAR 图像的目标识别受到越来越广泛的关注。传统 的 SAR 目标识别方法大多依赖于人工的目视解译， 一般耗时多、 工作量大， 随后逐渐发展。
18、成 为基于模板匹配的方法， 对于 SAR 而言， 由于其特殊的成像机制， 成像参数和场景的细微变 化将会引起 SAR 图像或 SAR 图像特征矢量较大的变化， 要想获取全面参数和场景下的完备 的SAR目标模板库几乎是不可能的。 SAR仿真可以实现预定条件下的特征预测， 图像样本生 成， 有效弥补了 SAR 图像样本的缺乏， 而且仿真探索了目标特征的形成机理与变化规律， 给 出典型目标主要散射特征的成像机理解译， 从根本上解决识别问题。然而， SAR 图像仿真技 术和发展水平与真正的实际应用还存在较大差距， 目标的仿真 SAR 图像的 “显著” 特征与实 际的 SAR 图像中的特征仍存在着很大差。
19、距， 导致目前的仿真算法还无法在目标识别中发挥 实质性的作用。因而， 如何针对目标识别需求建立有效地 SAR 图像仿真方法用于辅助 SAR 图像中复杂目标的自动识别是一个很有意义的研究问题。 0003 SAR 图像仿真从 SAR 图像电磁特征出发， 精简成像过程， 建立面元散射强度和图像 灰度级之间的对应关系获取仿真结果。一类 SAR 图像仿真方法强调散射的准确性采用高频 电磁场近似理论计算目标后向散射强度。Kirchhoff 物理光学和几何光学是最常用的散射 模型， Keller 从考虑直劈对电磁波的散射出发， 推导了几何绕射理论 (GTD) 用于计算绕射 和极化效应问题， Ahluwali。
20、a 等人提出基于边缘绕射问题中场的解可以用于菲涅尔积分有 关的特殊渐进数展开， 形成绕射的一致性渐进理论 (UAT)。接着， Kouyoumajian 和 Pathak 提出的一致性绕射理论(UTD)。 以上这些方法采用较为精确的物理模型， 但需要考虑很多描 述信号和目标材质的变量， 而有些参数往往预先得不到， 并且计算结果受目标模型精确度 的限制的影响大。 0004 另外一类仿真方法侧重于仿真结果几何分布的准确性， 电磁计算通常采用简化模 型如朗伯体漫射 - 镜面散射模型， 忽略目标表面介电常数， 雷达波长， 极化类型， 信号频率 等参数的影响。这类仿真方法在那些更依赖几何分布特征的 SAR。
21、 图像应用领域如变化检 测， 建筑物高度估计， 城区 3D 重建等中取得了较好的效果。这类散射模型通常配合射线追 踪方法生成可视化图像， 射线追踪技术反应的散射现象全面， 但计算量大， 速度很慢。Timo Balz 等开发了 SARViz 仿真工具， 采用了 Rasterization- 栅格化技术实现目标可视化。栅 格化技术结合计算机图形处理单元 GPU， 速度快， 可以实时仿真大规模复杂场景。然而， 说 明 书 CN 103336272 A 6 2/6 页 7 Rasterization 只能处理单次散射， SAR 典型的几何扭曲现象如叠掩， 遮挡， 阴影需要分开 处理。二次散射， 多次散。
22、射现象还是需要采用射线追踪技术。 发明内容 0005 本发明的目的是提供一种基于目标几何结构快速 SAR 图像仿真方法， 适用于电大 尺寸的复杂目标 SAR 图像仿真， 能够获得多种视角， 多种分辨率的仿真图像， 用于辅助 SAR 图像解译和复杂目标的自动识别。 0006 本发明的技术方案如下 ： 0007 第一步、 读入目标3D模型文件并获取目标空间信息:通过读取目标表面各三角面 元的顶点坐标， 计算三角面元法向量， 获取目标空间几何信息 ； 0008 第二步、 SAR 成像几何仿真 : 由第一步得到的目标表面各三角面元空间位置， 根据 雷达侧视成像原理， 判断目标表面可以接收并反射雷达信号。
23、的面元， 并记录每个可见面元 在图像上的投影位置 ； 0009 第三步、 计算目标模型上各位置的相对后向散射强度 : 根据第二步记录的可见面 元位置， 首先利用 phong 朗伯漫反射镜面反射模型计算可见面元上的单次散射 ； 然后再 根据可见面元组合的二面角计算目标模型上二次散射现象 ； 0010 第四步、 SAR 仿真图像生成 : 将第三步计算的单次散射和二次散射分别叠加到目 标在图像上的投影位置， 生成仿真后向散射系数图像， 然后再添加斑点噪声， 直接生成一个 均值为 1 的二维瑞利分布来表示均匀区域相干斑噪声， 相干噪声为乘性噪声， 以乘积的形 式添加噪声到后向散射系数图中， 最后得到仿。
24、真图像。 0011 本发明的有益效果 ： 0012 本发明提供的方法根据 SAR 图像复杂目标识别的需求， 采用简化散射模型计算单 次散射， 二次散射重点关联目标的几何结构与散射现象， 建立了目标模型表面几何结构与 SAR 图像特征间的关系， 同时在 SAR 仿真中几何处理部分提出了一种新的可视化方法， 克服 了传统的射线追踪计算速度慢， 栅格化技术对散射效应处理有局限性的缺点， 快速判断目 标表面可见面 元， 存储可见面元的位置和投影信息。 0013 本发明能够完成在多视角， 多分辨率条件下复杂目标快速 SAR 图像仿真。与其它 仿真方法相比， 更能体现用于识别的不同目标的各自的特征， 计算。
25、速度快， 能很好满足 SAR 图像目标识别和解译的需求。 附图说明 0014 图 1 为本发明基于几何结构的复杂目标 SAR 图像方法的流程示意图。 0015 图 2 为本发明第二步中关于 SAR 距离向几何模型示意图。 0016 图 3 为本发明第三步中二面角反射器二次散射几何示意图。 具体实施方式 0017 如图 1 所示， 本发明基于多类基元自主学习的多类复杂目标识别方法的流程示意 图， 包括以下步骤 ： 0018 第一步、 读入目标 3D 模型文并获取空间信息 ； 说 明 书 CN 103336272 A 7 3/6 页 8 0019 1.1、 读取 .DS 格式的目标 3D 模型文件。
26、， 目标 3D 模型以小三角面元为基本单位建 立， 通过读取目标表面各三角面元的顶点坐标 xi,yi,zi， 计算三角面元法向量获取目 标空间信息 ; 0020 1.2、 通过三角面元顶点坐标的尺度变换调整目标模型的大小， 使目标模型的尺寸 和真实目标一致， 并通过坐标平移使目标位于所定义空间坐标系的原点位置 ； 0021 第二步， SAR 成像几何仿真， 主要是根据雷达侧视成像原理， 判断目标表面接收到 雷达信号的面元， 并记录每个可见面元在图像上的投影位置。具体方法如下 ： 0022 2.1、 设置雷达系统参数， 包括 ： 雷达飞行高度 h， 雷达与目标距离 R， 信号入射角 ， 距离向分。
27、辨率 slr， 方位向分辨率 a； 0023 2.2、 定义 SAR 场景坐标系， 水平距离向为 X 轴， 方位向为 Y 轴， Z 轴为高度向， 坐标 原点位于目标附近， 雷达初始坐标为 S -htg,0,h ； 0024 2.3、 规定 SAR 仿真图像雷达侧视距离向为 X 轴， 雷达方位向为 Y 轴 ； 0025 2.4、 在 SAR 空间坐标系下调整目标模型姿态角 ， 调整方式如下 ； 0026 0027 2.5、 考虑 SAR 成像机理和后期成像处理过程， 假设雷达发送和接收信号的时间间 隔可以忽略， 雷达定点收发信号， 在 SAR 场景坐标系进行方位向离散化处理， 可以大大提高 仿真。
28、效率， 在一个方位向分辨率单元进行成像几何处理， 完毕后， 再按方位向步长移动到下 一分辨 率单元， 具体步骤如下所述 ： 0028 2.5.1、 设定方位向步长等于方位向分辨率 step a， 每次雷达收发信号所在位 置的 Y 轴的坐标为 a的整数倍， a,2a,3aNa； 0029 2.5.2、 投影到 SAR 图像坐标系中， 雷达每次在 Y 轴方向移动一个像素单元 ； 0030 2.5.3、 为了保证方位向采样率， 方位向步长也可以减小为 a的分数倍， 如 step a/2， 此时对应 SAR 图像坐标系 Y 轴方向半个像素单元。同时收发信号的起点不一定从 0点开始， 可以是方位向分辨率。
29、的分数倍a/m， 此时， 雷达停留位置的Y轴坐标为Yia/ m+istep， X 轴和 Z 轴坐标保持不变 ； 0031 2.6、 从雷达第一个收发信号位置 Yi， i 0 开始， 到雷达移动到下一位置 Yi+1前， 目标模型上位于 Yi与 Yi+1之间的面元可以接收到信号辐射， 这些面元的后向散射对此方位 向单元有贡献， 并且目标的几何结构的起伏会在部件间会造成遮挡， 被遮挡的面元处没有 信号返回， 在计算目标模型后向散射系数图前， 需要利用目标模型与雷达间的位置及照射 关系， 对可见面元进行判断， 具体步骤如下所述 ： 0032 2.6.1、 首先， 目标模型被 XZ 平面 y Yi切割，。
30、 记录与之相交的面元 P 以及相交面 元 P 在 XZ 平面上的相交线段 L， 相交线段记录方式为 L h,t,dh,dt， h， t为线段 两端点与雷达的垂直夹角， dh， dt为线段两端点与雷达的距离 ； 0033 说 明 书 CN 103336272 A 8 4/6 页 9 0034 0035 其中 (xh,Yi,zh) 是相交线段一端点的坐标， (-htg,Yi,h) 是雷达坐标 ； 0036 2.6.2、 目标上垂直夹角范围相同的两条相交线段 Li h,t,dhi,dti， Lj h,t,dhj,dtj， 且dhidhj,dtidtj， 则与雷达距离近的相交线段Li可见， 距离远的L。
31、j被 遮挡。 如果相交线段被部分遮挡， 线段端点移动到未被遮挡的位置， 同时与之对应的相交面 元也是部分可见。 0037 2.7、 经过消隐处理后， 所有的可见线段间不存在遮挡， 按一定顺序记录可见线段 及其所属的可见面元， 方便计算目标各个局部位置的后向散射数， 以及确定目标阴影的图 像位置， 具体步骤如下 ： 0038 2.7.1、 按与可见线段端点雷达的垂直角度从小到大顺序记录可见线段 L1， L2.， 最小角度记为 min， 最大角度记为 max； 0039 2.7.2、 对 应 可 见 面 元 的 记 录 顺 序与 对 应 的 可 见 线 段 一 致， 记 录 方 式 为 dh， d。
32、t为面元两端与雷达的距离， 为面元法向量 ; 0040 2.7.3、 可见面元的记录顺序等于面元的连接顺序， 包含了目标结构信息 ； 0041 2.7.4、 目标模型表面上可见面元在仿真图像上的距离向 （Y 轴） 投影 位置由 dh/slr和 dt/slr决定， 方位向 （X 轴） 投影位置由面元所在方位向分辨率单元序号 决定 ； 该小面元影射到 SAR 图像的 (kh,i) 至 (kt,i) 单元， 其中 kh， kt为 SAR 图像距离向序 号， i 为 SAR 图像方位向序号。其中 kh dh/slr， kt dt/slr， 表示取整 ； 0042 2.8、 计算阴影部分的投影位置， 具。
33、体步骤如下 ： 0043 2.8.1、 G1， G2 是两地面点， 与雷达的垂直夹角分别为 min， max， G1， G2 点在 XZ 平 面上与雷达的水平距离为 htgmin， htgmax。 0044 2.8.2、 地面回波在 G1， G2 的部分被目标所遮挡， 从 G1 的图像投影点 G1 起始， x 的距离范围内没有地面回波信号， 其中G1 的图像位置为(kG1,i)， kG1h/cosmin/slr ； 0045 0046 2.8.3、 最终阴影部分开始于 G1 与目标最远回波的投影点间较远的位置， 结束于 G2 的图像投影点， G1 的图像位置为 (kG2,i)， kG1 h/c。
34、osmax/slr ； 0047 2.9、 雷达向前移动一个方位向步长， i i+1， 重复所述方法 2.6 至 2.8， 不断向前 移动雷达在方位向的位置， 直到目标离开雷达照射范围 ； 0048 第三步， 计算目标模型每个位置的相对后向散射强度， 方法是 ： 0049 3.1、 利用 phong 朗伯漫反射镜面反射模型计算单次散射， 这种模型简单， 需要 的先验参数少， 散射强弱直接和目标的几何结构相关， 体现了本发明仿真方法基于目标几 何结构的特点， 具体步骤如下所述 ： 0050 3.1.1、 计算模型可见面元上的漫反射系数， 计算方式如下 ： 0051 0052 其中 kd是漫反射系。
35、数， 当目标表面材质为光滑的金属表面时建议取 kd 0.1， 目标表面较为粗糙时取 ks 0.3， 是面元法向量， 是雷达信号入射方向向量， 说 明 书 CN 103336272 A 9 5/6 页 10 0053 3.1.2、 计算模型可见面上的镜面反射系数， 计算方式如下 ： 0054 0055 其中 ks是镜面反射系数， 是入射信号方向向量 和镜面反射光线方向向量 的 角平分线方向向量， p 是镜面反射光线锐度系数， 当目标表面材质为光滑的金属表面时建议 取 ks 0.4， 目标表面较为粗糙时取 ks 0.2， 其它时候根据目标表面的粗糙度情况在 0.2 与 0.4 之间调整， 取 p 。
36、8 ； 0056 3.1.3、 目标模型表面单次散射系数 1 d+s； 0057 3.2、 计算目标模型上二次散射现象， 二次散射是图像上强散射的主要来源之一， 二次散射产生的强散射点或强散射区域通常作为目标显著特征对目标的识别有很大帮助， 本发明在仿真二次散射现象从目标自身的结构出发， 研究目标的特殊结构与典型强散射现 象二次散射间的关系， 假设二次散射是由目标表面可见的二面角反射器引起， 建立简化二 面角散射模型， 将二次散射在图像上出现的位置和相对强度与二面角反射器的位置， 姿态， 结构， 大小相关联， 具体步骤如下所述 ： 0058 3.2.1、 在目标模型上搜寻二面角反射器和近似二面。
37、角反射器， 在步骤 2.6 中记录 了面元按照的相邻关系记录， 通过计算相邻面元的夹角及夹角朝向来实现对目标表面适合 的二面角发射器的搜寻， 当相邻面元的夹角在 90 15并且夹角朝向雷达方向， 保留候 选 ； 0059 3.2.2、 计算二次散射在仿真图像上的位置， 目标表面二面角反射器的位置决定此 二面角产生的二次散射位置。 方位向位置 ： 等同于二面角反射器在方位向的位置， 距离向位 置 ： 近似等于二面角的顶点与雷达的距离 ； 0060 3.2.3、 计算二次散射强度， 二次散射强度与发生二次散射的二面角反射器尺寸大 小 a,b， 反射器角度与直角的偏离角度 ， 反射器相对雷达信号的姿。
38、态角有关， 当直角二 面角反射器， 姿态角度 0时， 二次反射最强烈。计算方式如下 : 0061 0062 建议取 kdb 0.3， A=2 ； 0063 第四步， SAR 仿真图像生成， 具体步骤如下 ： 0064 4.1、 仿真后向散射系数图像生成， 后向散射系数图像表现了目标的电磁散射特 性， 具体步骤如下 ： 0065 4.1.1、 首先生成背景图像， 设背景散射均匀， 取统一灰度值 (x,y)=A， 建议取 A=0.1， 图像灰度范围 (0,1) ； 0066 4.1.2、 将前面计算目标模型上的单次散射， 二次散射的后向散射系数叠加到后向 散射系数图相应的单元中 ； 0067 4.。
39、1.3、 阴影图像生成， 在被目标遮挡的位置， 即 kG1与 kG2之间的图像单元， 减去背 景部分信号 ； 0068 说 明 书 CN 103336272 A 10 6/6 页 11 0069 4.2、 添加斑点噪声， 主要考虑噪声的影响， 在相干斑噪声的幅度图像的统计特性 可由瑞利分布描述。直接生成一个均值为一的二维瑞利分布 n(x,y) 来表示均匀区域相干 斑噪声， 并根据乘积模型引入。最后得到的仿真图像可表示为 ： 0070 0071 本发明的流程可以分成四个模块来实现 ： 0072 第一个模块是目标模型解读模块， 读入目标 3DS 模型文件， 获取目标的空间结构 信息数据 ； 007。
40、3 第二个模块是 SAR 成像几何处理模块， 主要包括三个步骤 ： 第一步， 设定雷达参 数， 调整目标姿态角 ； 第二步， 利用目标模型与雷达间的位置及照射关系， 判断可见面元 ； 第三步， 按空间位置关系顺序存储目标可见面元的位置和投影信息 ； 0074 第三个模块是目标后向散射系数计算， 后向散射分为单次散射和二次散射两种类 型， 单次散射按照朗伯漫反射 - 镜面反射模型计算， 按照二面角散射简化模型计算 ； 0075 第四个模块仿真图像生成模块， 包括后向散射系数图生成和斑点噪声添加， 最后 得到 SAR 仿真图像。 0076 图 2 为本发明第二步中关于 SAR 距离向几何模型示意图。
41、。如图 2 所示， 雷达是侧 视成像， 在与雷达相同垂直夹角范围内的面元， 距离雷达近的可见， 距离远的被遮挡， 如图 中 CD 部分被 BC 部分遮挡 ； 与雷达距离相同的面元散射的雷达回波在图像上是叠加在一起 的， 称为掩叠现象， 如图中 AG1 和 AB 部分 ； 阴影是位于由地面被场景中目标遮挡的位置， 如 图所示CG2 ； 本发明根据图2所示的SAR几何模型进行目标可见面元判断以及目标投影。 0077 图 3 本发明第三步中二面角反射器二次散射几何示意图， 包括直角二面角反射器 在姿态角为 时的反射情况 （左） ， 以及非直角二面角反射器 （右） 的反射情况， 非直角二面 角反射器与指教偏离角度为。 二面角反射器相对雷达的姿态角以及二面角角度与直角的 偏离程度是影响二面角反射系数的两个主要因素， 同时还有二面角的尺寸。 说 明 书 CN 103336272 A 11 1/2 页 12 图 1 说 明 书 附 图 CN 103336272 A 12 2/2 页 13 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 103336272 A 13 。