機載下視陣列三維合成孔徑雷達分布式三維場景仿真方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及雷達仿真、成像和信號處理技術領域，特別是機載下視陣列三維合成 孔徑雷達分布式三維場景仿真方法。
【背景技術】
[0002] 常規(guī)側視合成孔徑雷達由于掠地角較小及地形起伏的影響，在獲取的二維合成孔 徑雷達圖像中會存在疊掩、陰影等問題，在進行二維合成孔徑雷達分布式場景仿真時，需要 利用光線跟蹤法對方位相同的場景高度曲線進行研究。這種方法無法推廣到下視三維觀測 模式，并且三維場景數(shù)據(jù)量極大，需要研究更快速準確的仿真方法。
[0003] ff.G.Kropatsch.TheGenerationofSARLayoverandShadowMapsFrom DigitalElevationModels.IEEETrans.GeoscienceandRemoteSensing,28 (1)： 98-107,1990.

【發(fā)明內容】

[0004](一）要解決的技術問題
[0005] 為解決上述的技術問題，本發(fā)明的目的是提供一種機載下視陣列三維合成孔徑雷 達分布式三維場景仿真方法。
[0006](二）技術方案
[0007] 根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種機載下視陣列三維合成孔徑雷達分布式三維 場景仿真方法。該方法包括：
[0008] 步驟A:將陣列天線陣元位置數(shù)據(jù)、觀測區(qū)域分布式三維場景數(shù)字表面模型和觀 測區(qū)域分布式三維場景對應的正射合成孔徑雷達投影圖像輸入到中央處理器；
[0009] 步驟B:在中央處理器中設定雷達工作參數(shù)；
[0010] 步驟C:利用中央處理器將雷達工作參數(shù)、觀測區(qū)域分布式三維場景數(shù)字表面模 型和觀測區(qū)域分布式三維場景正射合成孔徑雷達圖像傳輸?shù)綀D形處理器中，用于為中央處 理器、圖形處理器仿真提供仿真輸入；
[0011] 步驟D:根據(jù)選擇的回波生成法，在圖形處理器生成機載下視陣列三維合成孔徑 雷達三維回波信號，將所述回波信號從圖形處理器中的顯存?zhèn)鬟f到中央處理器控制的內 存，選擇與所述回波信號的數(shù)據(jù)格式并將所述回波信號的數(shù)據(jù)保存到硬盤；以及
[0012] 步驟E:利用三維成像算法，對機載下視陣列三維合成孔徑雷達三維回波信號在 圖形處理器進行成像處理，輸出觀測區(qū)域分布式三維場景三維圖像和正射投影圖像。
[0013](三）有益效果
[0014] 從上述方法可以看出，本發(fā)明機載下視陣列三維合成孔徑雷達分布式三維場景仿 真方法具有以下有益效果：
[0015] 本發(fā)明方法用于機載下視陣列三維合成孔徑雷達機底區(qū)域觀測模式，本發(fā)明能夠 克服常規(guī)側視合成孔徑雷達中存在的疊掩、陰影等問題，并且能夠獲得觀測區(qū)域場景的三 維散射信息，在民用和軍用方面都有巨大的應用潛力。目前尚無公開可用或可購買的機載 下視陣列三維合成孔徑雷達數(shù)據(jù)，為推動機載下視陣列三維合成孔徑雷達系統(tǒng)研制過程中 的關鍵技術驗證，需要開展機載下視陣列三維合成孔徑雷達分布式三維場景仿真技術，本 發(fā)明提出的方法仿真速度快，仿真精度高，符合大數(shù)據(jù)量三維仿真實用性要求。
[0016] (1)本發(fā)明用于支撐目前尚無實際機載下視陣列三維合成孔徑雷達數(shù)據(jù)情況下系 統(tǒng)關鍵技術驗證；
[0017] (2)本發(fā)明方法以三維數(shù)字表面模型和正射合成孔徑雷達圖像作為分布式三維仿 真場景輸入，在完成仿真參數(shù)、回波生成方法以及成像方法設置后，能夠靈活添加天線相位 中心運動誤差和系統(tǒng)噪聲，完成對分布式三維場景回波生成和三維成像處理；
[0018] (3)將中央處理器邏輯處理能力與圖形處理器數(shù)據(jù)運算能力相結合，實現(xiàn)異構并 行仿真，極大提高仿真效率。
[0019] (4)能夠對不同的陣列構型、工作時序、成像算法進行驗證，對于系統(tǒng)研制起到很 好的推動作用。
【附圖說明】
[0020] 圖1為機載下視陣列三維合成孔徑雷達成像幾何模型；
[0021] 圖2為本發(fā)明實施例異構仿真系統(tǒng)結構圖；
[0022] 圖3為本發(fā)明機載下視陣列三維合成孔徑雷達分布式三維場景仿真流程圖；
[0023] 圖4A為觀測場景三維數(shù)字表面模型；
[0024] 圖4B為觀測場景機載圓跡合成孔徑雷達正射圖像。
[0025] 圖5A為逆極坐標算法三維重建結果；
[0026] 圖5B為逆極坐標算法正射投影結果。
[0027] 圖6A為極坐標和L1正則化相結合算法三維重建結果；
[0028] 圖6B為極坐標和L1正則化相結合算法正射投影結果。
【具體實施方式】
[0029] 為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照 附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。
[0030] 需要說明的是，在附圖或說明書描述中，相似或相同的部分都使用相同的圖號。附 圖中未繪示或描述的實現(xiàn)方式，為所屬技術領域中普通技術人員所知的形式。另外，雖然本 文可提供包含特定值的參數(shù)的示范，但應了解，參數(shù)無需確切等于相應的值，而是可在可接 受的誤差容限或設計約束內近似于相應的值。此外，以下實施例中提到的方向用語，例如 "上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的方向用語是用來 說明并非用來限制本發(fā)明。
[0031] 圖1為機載下視陣列三維合成孔徑雷達成像幾何模型圖示。請參照圖l，x軸平行 于航跡向，Y軸平行于跨航向，Z軸自上而下垂直于XY平面，0是坐標原點。Q是當前正在 進行信號收發(fā)的天線相位中心，P是觀測區(qū)域場景目標，P'是觀測區(qū)域場景目標在YZ平面 上的投影。^7是天線相位中心沿載機運動方向的軌跡，QY'是天線相位中心沿載機運動 方向的軌跡，面是坐標原點到場景目標P的參考斜距，參考斜距的長度為p，硬為天線相 位中心到場景目標P的瞬時斜距，瞬時斜距的長度為P'。h為航跡向多普勒累積角，y2 為跨航向多普勒累積角，小為行f與YZ平面的夾角，0為與Z軸的夾角?？绾较蜿嚵?布局無特定規(guī)則限制，可以稀疏非規(guī)則布置。機載下視陣列三維合成孔徑雷達獲取場景目 標沿航跡向、跨航向、波傳播向三維回波信號。
[0032] 如圖2為本發(fā)明實施例異構仿真系統(tǒng)結構包括中央處理器和圖形處理器，中央處 理器的輸入端接收陣列天線陣元位置數(shù)據(jù)、觀測區(qū)域分布式三維場景數(shù)字表面模型和觀測 區(qū)域分布式三維場景對應的正射合成孔徑雷達圖像數(shù)據(jù)，中央處理器的輸入輸出數(shù)據(jù)端與 圖形處理器的輸入輸出數(shù)據(jù)端連接。圖2中只有一套中央處理器系統(tǒng)和一套圖形處理器系 統(tǒng)，只是兩個系統(tǒng)在回波生成和成像處理過程中都需要數(shù)據(jù)交互，整個圖自上而下是整個 異構并行仿真的實際流程，每個流程過程中會有中央處理器、圖形處理器參與，其中圖形處 理器計算時劃定一個計算網(wǎng)格，計算網(wǎng)格內劃分為線程塊，線程塊又可以劃分為多個線程， 這是圖形處理器工作狀態(tài)。
[0033] 利用圖2中示出的異構仿真系統(tǒng)結構實施如圖3所示的基于異構并行的機載下視 陣列三維合成孔徑雷達分布式場景仿真方法的步驟包括：
[0034] 步驟A:將陣列天線P0S數(shù)據(jù)將陣列天線陣元位置數(shù)據(jù)、觀測區(qū)域分布式三維場景 數(shù)字表面模型和觀測區(qū)域分布式三維場景對應的正射合成孔徑雷達圖像輸入到中央處理 器；其中陣列天線陣元位置數(shù)據(jù)是轉換到載機坐標