專利名稱：：雙站合成孔徑雷達海浪方向譜的仿真方法
技術領域：
：發明涉及一種雙站合成孔徑雷達海浪方向譜的仿真方法，屬于海洋遙感技術中海浪方向譜的仿真方法的
技術領域：
。
背景技術：
：合成孔徑雷達(SAR，syntheticapertureradar)作為一種全天時、全天候和高分辨率微波遙感技術得到了快速發展，已成為監測海洋環境、開展海洋動力學研究以及保障海上交通安全的一種有力工具。與常規的海洋調查手段相比，SAR海洋遙感具有以下獨特的優點(l)可對海洋進行全天時和全天候的觀測，它不受地表、海面、天氣和人為條件的限制；(2)可對海洋動力學進行大范圍和周期性的監測，如海浪、內波、海底地形、淺海水深以及海面風場等；(3)可對海洋背景下的目標進行大范圍和周期性的監測，如艦船、艦船的尾跡以及海面油污等；(4)多波段、多極化、多視向、多俯角以及多體制SAR的探測模式可為海洋研究提供豐富的信息。目前，RADARSAT、ERS-1/2以及ENVISAT等星載SAR在全球范圍內對海洋環境的監測和海洋科學的研究發揮著重要的意義。雙站SAR(BiSAR，bistaticsyntheticapertureradar)是指收發平臺在空間上是分離的。與傳統SAR相比，雙站SAR的優勢在于可以獲取目標的豐富信息，收/發系統配置的靈活性以及接收系統的小型化、低成本和隱蔽性等。目前，針對這一新體制雷達的研究還主要圍繞在成像算法、運動補償等系統設計方面；國內外機載BiSAR陸地遙感飛行試驗的成功，標志著BiSAR在系統研制和成像算法方面均已取得了重大突破。從目前公開發表的文獻來看，還未曾見到實測的BiSAR海洋數據或者圖像。但是，許多國家都已提出了星載雙站SAR的研究計劃，如加拿大的Radarsat-2/3計劃、意大利的BISSAT計劃、法國的Cartwheel、德國的Pendulum與TanDEM-X計劃等。這些計劃為BiSAR海浪方向譜的仿真提供了很好的系統原型。同時BiSAR海浪方向譜的仿真方法也會對我國微波遙感器的自主研發產生一定的積極作用。常見的單站SAR海浪方向譜仿真方法有兩種，一是以海面電磁散射計算為基礎的海面回波信號的仿真，然后運用SAR成像算法來獲得SAR圖像，最后通過FFT運算得到SAR海浪方向譜。由于該方法需要仿真時域內的回波信號，因此該方法的運算效率較低，而且該方法的準確性還與海面電磁散射模型的選擇密切相關。二是通過建立海浪譜與SAR海浪方向譜之間的映射關系，來直接獲得SAR海浪方向譜，該方法是以雷達波調制理論為基礎。海浪譜與SAR海浪方向譜之間的映射關系是SAR海洋遙感應用領域中的核心問題之一，也是SAR圖像反演海浪譜的基礎和前提。
發明內容本發明目的是針對現有技術存在的缺陷提供一種雙站合成孔徑雷達海浪方向譜的仿真方法。通過設置不同的海浪參數和BiSAR系統參數，可得到BiSAR海浪方向譜。本發明可用于海洋環境監測和海洋科學研究，在海上防災減災方面發揮重要作用。本發明為實現上述目的，采用如下技術方案本發明雙站合成孔徑雷達海浪方向譜的仿真方法，其特征在于包括以下步驟步驟一，根據海浪參數，計算JONSWAP海浪譜和海面鉛直位移JONSWAP海浪譜的表達式為S(co)=^~exp[-l(~)4];^，其中<y42]，<T=nn。，"m為譜峰值角頻率，"為海浪的角頻率，Y為2c72<〔0.09>"峰升因子，o為峰形參量，g為引力常數，a為尺度系數；根據Longuet-Higgins模型；海面w_鉛直位移；為"x,0=SV2lS(%)A^exp/(k,-W+A)+C.c.^*，c.c.表示復共軛算子，i為虛數，t為時間，x為海面空間向量，N為海浪波數的個數，j表示索引數，kj為第j個海浪的波數向量，氣為第j個海浪的相位噪聲，S("j)表示角頻率為"j的JONSWAP海譜的數值，Acoj=j+1-coj表示為第j+1與第j海浪角頻率的差；步驟二，根據雙站SAR幾何參數和雷達波參數，則含有軌道速度和加速度擾動的海面回波信號可表示為eO,x。)=」o"0{1+Sm(ky)^2^.，.cos(k乂x—W+^)}exp{—，x0)+%(f，x。)]};V戶i其中，0。表示海浪的敷射系數，x。表示海面的某一位置，m(kj)為海浪對雷達波的調制系數，仍("^)為發射機所產生的相位，^(Z^。)為接收機所產生的相位；當收發天線為正側視，則發射信號或接收信號的相位可表示為爐"0,x。)"(及"++(7//—x。)2)+^1。—M""(W+會"W2]，k為雷達波的波數，下標n={1，2}，n=1表示的是發射機，n=2表示的是接收機，Vn為發射機/接收機的速度，Rn為發射機/接收機與海面中心的最近距離，Ao為發射機/接收機常數相位項，Un為發射機/接收機海浪軌道速度，An為發射機/接收機海浪軌道的加速度；步驟三根據雙站SAR距離-多普勒成像算法，對回波信號進行匹配濾波處理，得到雙站SAR的海浪圖像當發射天線的方向圖為G'("x。^exp[-^^]和接收天線的方向圖為&(^。)=exp[-(^r/2°)2]，其中，T表示為合成孔徑時間，方位向匹配濾波器為/^，x。)=eXp(/^^2"+f^r22,2)'BiSAR輸出功率密度函數為r(t，x。)G2(t，x。)Gjt，x。)e(t，x。)*h(t，x。)，其中，*表示的巻積運算，雙站SAR海浪圖像I(x)可表式為，/(x)=<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>其中，/^=^為發射機或接收機所產生的方位分辨率，A為雷達波波長，x為BiSAR圖像的位置，p;;=/7{1+l>(:^)2(2)fp為由軌道加速度導致圖像分辨率下降因子；步驟四，將BiSAR海浪圖像進行二維FFT運算后，得到BiSAR海浪方向譜。所述的雙站合成孔徑雷達海浪方向譜的仿真方法，其特征在于采用數值積分的方法來求得雙站SAR海浪圖像I(x)。本發明通過理論分析得到含有海浪軌道速度和加速度的BiSAR回波信號的表達式；然后根據BiSAR距離-多普勒成像算法，對回波信號進行匹配濾波處理，得到BiSAR海浪圖像的解析式；并采用數值積分的方法來求得BiSAR海浪圖像。本發明的特點是不需要在時域內產生回波信號和成像處理而是采用數值積分的方法來求得雙站SAR海浪圖像。因此，該方法具有較高的運算效率。圖1為本發明的工作流程圖。圖2為JONSWAP海浪譜。圖3為雙站SAR海浪方向譜。具體實施例方式下面結合附圖對發明的技術方案進行詳細說明如圖1所示，本發明雙站合成孔徑雷達海浪方向譜的仿真方法，包括如下步驟步驟一根據海浪參數，計算JONSWAP海浪譜和海面鉛直位移。JONSWAP海浪譜S(")的表達式為a=exp[-、7V]o"=L_<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>其中，co為海浪的角頻率；"m為海浪譜峰值角頻率；Y為峰升因子；o為峰形參量；g為引力常數；a為尺度系數。根據Longuet-Higgins模型，海面鉛直位移4可描述為w_<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>其中，C.C.表示復共軛算子；i為虛數；t為時間；X為海面空間向量；N為海浪波數的個數；j表示索引數；kj為第j個海浪的波數向量；小j為第j個海浪的相位噪聲；S("》表示角頻率為"j的JONSWAP海譜的數值；A"j=""j表示為第j+1與第j海浪角頻率的差。步驟二根據雙站SAR幾何參數和雷達波參數，則含有軌道速度和加速度擾動的海面回波信號可表示為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>其中，o。表示海浪的散射系數；x。表示海面的某一位置；m(kj)為海浪對雷達波的調制系數，為發射機所產生的相位，^(^0)為接收機所產生的相位。當收發天線為正側視，則發射信號或接收信號的相位可表示為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>k為雷達波的波數；下標n={1，2}，n=1表示的是發射機，n=2表示的是接收機，Vn為發射機/接收機的速度，Rn為發射機/接收機與海面中心的最近距離，A。為常數相位項，Un為海浪軌道速度，An為海浪軌道的加速度。步驟三根據雙站SAR距離-多普勒成像算法，對回波信號進行匹配濾波處理，得到雙站SAR的海浪圖像。當發射天線的方向圖為G,(/，x。^exp卜"-y,]和接收天線的方向圖為^2"x。)=exp[-(^=°)2]，其中，T表示為合成孔徑時間。方位向匹配濾波器為F，VA:6(,,x。)=eXp(/^r々2+Z^C2)，BiSAR輸出功率密度函數為r(t，x。)=G2(t，x。)^(t，x。)e(t，x。)樸(t，x。)。其中，*表示的巻積運算。經過復雜的計算后，雙站SAR海浪圖像I(x)可表式為，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula><formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(3)其中，戶=#為發射機或接收機所產生的方位分辨率，A為雷達波波長，x為BiSAR圖像的位置，p;;=pji+[A;(r^(AlA)]^為由軌道加速度導致圖像分辨率下降22因子。需要說明的是，對式(3)很難求出具有物理含義的解析式，通常采用數值積分的方法來求解。步驟四將BiSAR海浪圖像進行二維FFT運算后，得到BiSAR海浪方向譜。實施例在Matlab平臺上，對其進行了仿真和驗證。在對具體實施步驟說明之前，首先給出海浪參數和BiSAR的系統參數。海面風速為7m/s，海浪波長為100m，尺度系數a為0.0081，峰升因子y為1。合成孔徑時間為2.5s，雷達波長為0.24m，發射機入射角為45。，接收機入射角為30。，發射機與海浪中心的最近距離為10km，接收機與海浪中心的最近距離為8km，發射機的速度為220m/s，接收機的速度為200m/s。發射機與接收機是同向平行飛行的，海浪的傳播方向與收/發平臺的飛行方向一致。步驟一、根據海浪參數，計算JONSWAP海浪譜。將海面鉛直位移存儲在一個64X64的矩陣中并初始化為O。將海浪譜存儲在一個32X32的矩陣中并初始化為O。海浪譜間隔Ak為0.01rad/m。根據深水波的頻散關系，則海浪峰值角頻率"m為0.7847rad。利用式(1)，計算出JONSWAP海浪譜，如圖2所示。步驟二、利用式(2)，計算海面鉛直位移。首先將海浪空間位置x離散化后存儲在一個1X64的數組中并，海浪空間位置y離散化后也存儲在一個64X1的數組中；然后，利用步驟一計算出的JONSWAP海浪譜和式(2)，計算海面鉛直位移。步驟三、根據海浪參數和BiSAR系統參數，計算BiSAR海浪圖像。利用式(3)，采用迭代自適應Lobatto積分方法計算BiSAR海浪圖像。步驟四、對BiSAR海浪圖像進行二維FFT運算，得到BiSAR海浪方向譜，如圖3所示。權利要求一種雙站合成孔徑雷達海浪方向譜的仿真方法，其特征在于包括以下步驟步驟一，根據海浪參數，計算JONSWAP海浪譜和海面鉛直位移JONSWAP海浪譜的表達式為其中<mrow><mi>σ</mi><mo>=</mo><mfencedopen='{'close=''><mtable><mtr><mtd><mn>0.07</mn></mtd><mtd><msub><mi>ω</mi><mi>m</mi></msub><mo>≤</mo><mi>ω</mi></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>0.09</mn></mtd><mtd><msub><mi>ω</mi><mi>m</mi></msub><mo>></mo><mi>ω</mi></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>,</mo></mrow>ωm為譜峰值角頻率，ω為海浪的角頻率，γ為峰升因子，σ為峰形參量，g為引力常數，α為尺度系數；根據Longuet-Higgins模型；海面鉛直位移ζ為其中，c.c.表示復共軛算子，i為虛數，t為時間，x為海面空間向量，N為海浪波數的個數，j表示索引數，kj為第j個海浪的波數向量，φj為第j個海浪的相位噪聲，S(ωj)表示角頻率為ωj的JONSWAP海譜的數值，Δωj＝ωj+1-ωj表示為第j+1與第j海浪角頻率的差；步驟二，根據雙站SAR幾何參數和雷達波參數，則含有軌道速度和加速度擾動的海面回波信號可表示為其中，σ0表示海浪的散射系數，x0表示海面的某一位置，m(kj)為海浪對雷達波的調制系數，為發射機所產生的相位，為接收機所產生的相位；當收發天線為正側視，則發射信號或接收信號的相位可表示為k為雷達波的波數，下標n＝{1，2}，n＝1表示的是發射機，n＝2表示的是接收機，Vn為發射機/接收機的速度，Rn為發射機/接收機與海面中心的最近距離，為發射機/接收機常數相位項，Un為發射機/接收機海浪軌道速度，An為發射機/接收機海浪軌道的加速度；步驟三根據雙站SAR距離-多普勒成像算法，對回波信號進行匹配濾波處理，得到雙站SAR的海浪圖像當發射天線的方向圖為和接收天線的方向圖為其中，T表示為合成孔徑時間，方位向匹配濾波器為BiSAR輸出功率密度函數為r(t，x0)＝G2(t，x0)G1(t，x0)e(t，x0)*h(t，x0)，其中，*表示的卷積運算，雙站SAR海浪圖像I(x)可表式為，<mrow><mi>I</mi><mrow><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msup><mrow><mo>|</mo><munderover><mo>∫</mo><mrow><mo>-</mo><mo>∞</mo></mrow><mo>∞</mo></munderover><mi>r</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>,</mo><msub><mi>x</mi><mn>0</mn></msub><mo>)</mo></mrow><msub><mi>dx</mi><mn>0</mn></msub><mo>|</mo></mrow><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><mo>=</mo><mfrac><mi>π</mi><mn>2</mn></mfrac><msup><mi>T</mi><mn>2</mn></msup><msubsup><mo>∫</mo><mrow><mo>-</mo><mo>∞</mo></mrow><mo>∞</mo></msubsup><mi>σ</mi><mrow><mo>(</mo><msub><mi>x</mi><mn>0</mn></msub><mo>)</mo></mrow><mfrac><mrow><mi>exp</mi><mo>{</mo><mo>-</mo><msup><mi>π</mi><mn>2</mn></msup><msup><mrow><mo>[</mo><mfrac><mrow><mfrac><msub><mi>V</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>V</mi><mn>2</mn></msub></mfrac><mi>x</mi><mo>-</mo><msub><mi>x</mi><mn>0</mn></msub><mo>-</mo><mfrac><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>V</mi><mn>1</mn></msub></mfrac><msub><mi>U</mi><mn>1</mn></msub></mrow><msubsup><mi>ρ</mi><mn>1</mn><mo>′</mo></msubsup></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mrow><mi>x</mi><mo>-</mo><msub><mi>x</mi><mn>0</mn></msub><mo>-</mo><mfrac><msub><mi>R</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>V</mi><mn>2</mn></msub></mfrac><msub><mi>U</mi><mn>2</mn></msub></mrow><msubsup><mi>ρ</mi><mn>2</mn><mo>′</mo></msubsup></mfrac><mo>]</mo></mrow><mn>2</mn></msup><mo>}</mo></mrow><msup><mrow><mo>{</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><msup><mrow><mo>[</mo><mi>k</mi><msup><mrow><mo>(</mo><mfrac><msup><mi>T</mi><mn>2</mn></msup><mn>2</mn></mfrac><mo>)</mo></mrow><mn>2</mn></msup><mrow><mo>(</mo><mfrac><mrow><msub><mi>A</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>A</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mn>2</mn></mfrac><mo>)</mo></mrow><mo>]</mo></mrow><mn>2</mn></msup><mo>}</mo></mrow><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac></msup></mfrac><msub><mi>dx</mi><mn>0</mn></msub><mo>,</mo></mrow>其中，為發射機或接收機所產生的方位分辨率，λ為雷達波波長，x為BiSAR圖像的位置，為由軌道加速度導致圖像分辨率下降因子；步驟四，將BiSAR海浪圖像進行二維FFT運算后，得到BiSAR海浪方向譜。2.根據權利要求1所述的雙站合成孔徑雷達海浪方向譜的仿真方法，其特征在于采用數值積分的方法來求得雙站SAR海浪圖像I(x)。全文摘要本發明公布了一種雙站合成孔徑雷達海浪方向譜的仿真方法。包括以下步驟根據海浪參數，計算JONSWAP海浪譜和海浪鉛直位移；依據雷達波調制理論和BiSAR系統參數，得到含有海浪軌道速度和加速度的BiSAR回波信號；然后根據BiSAR距離-多普勒成像算法，對回波信號進行匹配濾波處理，得到BiSAR海浪圖像的解析式；并采用數值積分的方法來求得BiSAR海浪圖像。最后，對BiSAR海浪圖像進行二維FFT運算可得到BiSAR海浪方向譜。本發明不需要在時域內產生回波信號和成像處理而是采用數值積分的方法來求得BiSAR海浪圖像，具有較高的運算效率。文檔編號G01S7/41GK101697011SQ20091023359公開日2010年4月21日申請日期2009年10月29日優先權日2009年10月29日發明者張尤賽,楊永紅,林明,陸南申請人:江蘇科技大學;