一種海上多目標sar圖像可視化建模方法
【專利摘要】本發明一種海上多目標SAR圖像可視化建模方法，在圖形電磁計算(GRECO)方法的基礎上，引入由海譜生成的隨機海面模型，同時加載多個海上目標并設置其在整個場景中的相對位置和姿態，組成海面多目標場景，計算整個場景中各個子目標及海面對雷達回波的貢獻，最終得到整個場景的雷達回波數據，并以此計算場景的合成孔徑雷達(SAR)圖像。其中，在計算大型海上目標(如航母等)時，采用了分區計算的方法。本發明的優點為：而可以提高電磁計算的精度；得到場景SAR圖像可信度更高，具有很高的分辨率；具有較大的靈活性；快捷，成本低；具有更高的通用性。
【專利說明】-種海上多目標SAR圖像可視化建模方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種建模方法，具體來說，是一種海上多目標SAR圖像可視化建模方 法。
【背景技術】
[0002] 合成孔徑雷達（SAR)是一種全天候、全天時的現代高分辨率側視成像雷達，可以 不受日照、天氣等因素的影響，并且具有一定的穿透力，它是目前成像探測和遙感觀測的重 要手段，在很多領域得到廣泛的應用。SAR成像模擬與系統仿真技術是揭示SAR成像機理、 驗證和設計新的成像算法的有效途徑。
[0003] 現今SAR成像仿真主要針對地形場景、點目標或者單一復雜目標進行仿真計算。 由于海上目標所處的特定環境，海雜波和海上目標復合目標的SAR圖像更為實際所需，同 時，海上艦船目標的尺寸往往較大，導致獲取高精度SAR成像的難度加大。
【發明內容】
[0004] 針對上述問題，本發明提出一種海上多目標SAR圖像的可視化建模方法，可更快、 更便捷的精確獲得海上目標的高分辨率SAR圖像。
[0005] 1、一種海上多目標SAR圖像可視化建模方法，其特征在于：通過下述步驟實現：
[0006] 步驟1 :獲取海面目標的三角面元模型數據文件；
[0007] 步驟2 :生成隨機海面模型的三角面元描述的模型數據文件；
[0008] 步驟3 :生成海上多目標的三維場景模型數據文件；
[0009] 步驟4 :顯不二維場景；
[0010] a、將OpenGL屏幕坐標系02(x2、y2、z2)的x 2軸方向設為屏幕上的水平向右方向，y2 軸方向設為屏幕上堅直向上，z2方向設為垂直屏幕向外；
[0011] b、讀入海面上多目標的三維場景模型數據文件；
[0012] C、使場景坐標系的原點為OpenGL屏幕坐標系的原點，且使場景中初始的海平面 向上方向為z2方向；
[0013] 步驟5 :設置機載雷達運動參數，對場景進行顯示；
[0014] 在雷達視線的各個姿態下，以機載雷達波束照射點為中心旋轉場景，使得雷達視 線方向保持與OpenGL屏幕坐標系中的-Z 2方向一致；根據機載雷達波束照射的范圍，通過 OpenGL中的窗口函數設置OpenGL視場中的目標場景；
[0015] 步驟6 :計算在機載雷達運動期間，雷達視線的各個姿態下OpenGL視場中的目標 場景相對雷達視線的姿態角序列；進而得到目標場景顯示序列，并依次通過步驟7?9,得 到雷達視線的各個姿態對應的雷達回波，進而得到機載雷達運動期間的雷達回波序列；
[0016] 步驟7 :對目標場景進行分區顯示；
[0017] a、獲取目標場景在OpenGL屏幕坐標系x2、y2軸方向的矩形投影尺寸，分別為
【權利要求】
1. 一種海上多目標SAR圖像可視化建模方法，其特征在于：通過下述步驟實現： 步驟1 :獲取海面目標的三角面元模型數據文件； 步驟2 :生成隨機海面模型的三角面元描述的模型數據文件； 步驟3 :生成海上多目標的三維場景模型數據文件； 步驟4:顯示三維場景； a、 將OpenGL屏幕坐標系02(x2、y2、z2)的x 2軸方向設為屏幕上的水平向右方向，y2軸 方向設為屏幕上堅直向上，z2方向設為垂直屏幕向外； b、 讀入海面上多目標的三維場景模型數據文件； c、 使場景坐標系的原點為OpenGL屏幕坐標系的原點，且使場景中初始的海平面向上 方向為z2方向； 步驟5 :設置機載雷達運動參數，對場景進行顯示； 在雷達視線的各個姿態下，以機載雷達波束照射點為中心旋轉場景，使得雷達視線 方向保持與OpenGL屏幕坐標系中的-Z方向一致；根據機載雷達波束照射的范圍，通過 OpenGL中的窗口函數設置OpenGL視場中的目標場景； 步驟6 :計算在機載雷達運動期間，雷達視線的各個姿態下OpenGL視場中的目標場景 相對雷達視線的姿態角序列；進而得到目標場景顯示序列，并依次通過步驟7?9,得到雷 達視線的各個姿態對應的雷達回波，進而得到機載雷達運動期間的雷達回波序列； 步驟7 :對目標場景進行分區顯示； a、 獲取目標場景在OpenGL屏幕坐標系&、72軸方向的矩形投影尺寸，分別為
b、 令給定的像素分辨尺寸為L，對矩形投影在OpenGL屏幕坐標系x2、y2軸方向分別進 行劃分，得到的劃分區間數量分別為：
;其中，ROUND 表示四舍五入；則投影矩形總共的分區數為
，對各個分區進行單獨的投影顯示； 步驟8 :計算各個分區的散射場； 步驟9 :將各分區的散射場矢量疊加，得到總雷達回波數據。 步驟10 :獲得場景的SAR圖像。 本發明采用經典的雷達成像算法：距離多普勒成像算法，對機載雷達運動期間的雷達 回波序列進行處理，生成海上多目標的高分辨率雷達圖像。
2. 如權利要求1所述一種海上多目標SAR圖像可視化建模方法，其特征在于：所述步 驟2具體實現方法為： 將無限個隨機的余弦波進行疊加來描述一個定點的波面Π (t)，則有：
(1) 式⑴中，3"與％分別為第n個余弦波的振幅與角頻率，n e [1?〇〇 ] ; εη為第n個 余弦波在〇?2 π范圍內均布的隨機初位相；t為時刻； 通過式（2)，可得到隨時間以及空間同時變化的固定點波面； (2) 式（2)中，x、y分別為二維海面坐標系0 (x、y)的橫縱坐標；第η個余弦波傳播方向與 二維海面坐標系中X軸夾角為θη，-π彡θη< ji ;kn為波數。對深水波來說， 式⑵中，各個波的振幅3"，可以由如式（3)中給出的海浪譜求出：
(3) 式⑶中，海浪譜S(?，Θ)的定義如下： S (ω，Θ ) = S (ω) G (ω，Θ )⑷ 式⑷中，S(c〇)為頻譜，G(c〇, θ )為方向分布函數，簡稱方向函數，Δ ω為角頻率間 隔；△ Θ余弦波傳播方向與二維海面坐標系中X軸夾角間隔； 式（4)中，海浪頻譜通過Pierson-Moscowitz譜來模擬：
(5) 式（5)中，a = 8. IX 10_3,為無因次常數，β =0.74, g為重力加速度，U為海面上19. 5m 商處的風速； 式（4)中，海浪方向分布函數通過波浪立體觀測計劃得到：
(6) 式⑶中，
為
處的譜峰頻率； 將通過上述方法生成的海面模型n (x，y，t)存儲為三角面元數據文件。
3. 如權利要求1所述一種海上多目標SAR圖像可視化建模方法，其特征在于：所述步 驟3的實現方法為：由建模計算機讀入海上目標的三角面元描述的模型數據文件，與海面 模型的三角面元描述的模型數據文件，構成整個三維場景；在場景坐標系OiOq、 yi、Zl)中， 以海面的幾何中心為原點，改變各個海上目標的初始姿態至所需初始姿態；隨后按照海上 目標實際狀態，將海上目標的位置和姿態調整至漂浮在海面上的狀態，得到模擬真實海面 上多目標的三維場景模型數據文件。
4. 如權利要求1所述一種海上多目標SAR圖像可視化建模方法，其特征在于：步驟8實 現方法為： A、計算投影矩形的像素尺寸； OpenGL屏幕坐標系x2、y2軸方向的像素尺寸分別為： (7) (8) 式（7)與式（8)中，
和
分別是每個分區在OpenGL屏幕坐標系x2、y 2軸方向的像 素數； B、 按各分區的投影比例分別進行顯示； C、 計算各分區像各素位置信息與法矢信息，具體為： 獲得屏幕上各像素的位置信息和顏色信息； 各像素的位置信息： 令屏幕像素為
個，OpenGL屏幕窗口的橫向大小為
縱向大小為
，貝1J第m, η個像素的x2, y2大小為
，第m, η個像素的z2值由 OpenGL 的 z-buffer 提供； 各像素顏色信息： 利用OpenGL的光照模型，使紅、綠、藍光源分別位于OpenGL屏幕坐標系的x2, y2, z2軸， 由OpenGL的顏色buffer可獲得每個像素顏色的（R, G, B)，分別對應于紅綠藍三種顏色； 通過每個像素位置信息和顏色信息，可分別獲取每個像素位置所代表的面元三維坐標 和法矢朝向。其中，顏色信息與法矢朝向間的對應關系為： 令物體表面是漫反射并且每種顏色的漫反射系數為1，光源的強度為1，光傳播在媒質 中的衰減為1，則光照模型為：
(9) 式中，Ld為每種顏色的漫反射亮度，i是像素代表的面元法矢，f是指向光源的方向矢 量。則像素代表的面元法矢的子分量與顏色的對應關系為：
毛、兔、矣分別為屏幕坐標系中x2、y2、z2方向的矢量； D、 根據得到的分區各像素位置信息與法矢信息，并對每個子區域利用高頻近似理論中 的物理光學計算理論及物理繞射計算理論分區計算其散射場計算分區內所有有效像素的 散射場。 則散射場Sp〇為： 其中，k為雷達波數，As'為每個像素代表的實際投影面積。 (10)
5.如權利要求4所述一種海上多目標SAR圖像可視化建模方法，其特征在于：步驟C 中，為確定法矢的正負，須從正負坐標軸用紅綠藍三種光源分別照射目標分區，顯示顏色的 一面為法矢方向。
【文檔編號】G06T17/00GK104050716SQ201410293057
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年6月25日 優先權日:2014年6月25日
【發明者】方寧, 蘇珉, 鄒碧霄 申請人:北京航空航天大學