一种海上多目标sar图像可视化建模方法
【专利摘要】本发明一种海上多目标SAR图像可视化建模方法，在图形电磁计算(GRECO)方法的基础上，引入由海谱生成的随机海面模型，同时加载多个海上目标并设置其在整个场景中的相对位置和姿态，组成海面多目标场景，计算整个场景中各个子目标及海面对雷达回波的贡献，最终得到整个场景的雷达回波数据，并以此计算场景的合成孔径雷达(SAR)图像。其中，在计算大型海上目标(如航母等)时，采用了分区计算的方法。本发明的优点为：而可以提高电磁计算的精度；得到场景SAR图像可信度更高，具有很高的分辨率；具有较大的灵活性；快捷，成本低；具有更高的通用性。
【专利说明】-种海上多目标SAR图像可视化建模方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种建模方法，具体来说，是一种海上多目标SAR图像可视化建模方 法。
【背景技术】
[0002] 合成孔径雷达（SAR)是一种全天候、全天时的现代高分辨率侧视成像雷达，可以 不受日照、天气等因素的影响，并且具有一定的穿透力，它是目前成像探测和遥感观测的重 要手段，在很多领域得到广泛的应用。SAR成像模拟与系统仿真技术是揭示SAR成像机理、 验证和设计新的成像算法的有效途径。
[0003] 现今SAR成像仿真主要针对地形场景、点目标或者单一复杂目标进行仿真计算。 由于海上目标所处的特定环境，海杂波和海上目标复合目标的SAR图像更为实际所需，同 时，海上舰船目标的尺寸往往较大，导致获取高精度SAR成像的难度加大。
【发明内容】
[0004] 针对上述问题，本发明提出一种海上多目标SAR图像的可视化建模方法，可更快、 更便捷的精确获得海上目标的高分辨率SAR图像。
[0005] 1、一种海上多目标SAR图像可视化建模方法，其特征在于：通过下述步骤实现：
[0006] 步骤1 :获取海面目标的三角面元模型数据文件；
[0007] 步骤2 :生成随机海面模型的三角面元描述的模型数据文件；
[0008] 步骤3 :生成海上多目标的三维场景模型数据文件；
[0009] 步骤4 :显不二维场景；
[0010] a、将OpenGL屏幕坐标系02(x2、y2、z2)的x 2轴方向设为屏幕上的水平向右方向，y2 轴方向设为屏幕上坚直向上，z2方向设为垂直屏幕向外；
[0011] b、读入海面上多目标的三维场景模型数据文件；
[0012] C、使场景坐标系的原点为OpenGL屏幕坐标系的原点，且使场景中初始的海平面 向上方向为z2方向；
[0013] 步骤5 :设置机载雷达运动参数，对场景进行显示；
[0014] 在雷达视线的各个姿态下，以机载雷达波束照射点为中心旋转场景，使得雷达视 线方向保持与OpenGL屏幕坐标系中的-Z 2方向一致；根据机载雷达波束照射的范围，通过 OpenGL中的窗口函数设置OpenGL视场中的目标场景；
[0015] 步骤6 :计算在机载雷达运动期间，雷达视线的各个姿态下OpenGL视场中的目标 场景相对雷达视线的姿态角序列；进而得到目标场景显示序列，并依次通过步骤7?9,得 到雷达视线的各个姿态对应的雷达回波，进而得到机载雷达运动期间的雷达回波序列；
[0016] 步骤7 :对目标场景进行分区显示；
[0017] a、获取目标场景在OpenGL屏幕坐标系x2、y2轴方向的矩形投影尺寸，分别为
【权利要求】
1. 一种海上多目标SAR图像可视化建模方法，其特征在于：通过下述步骤实现： 步骤1 :获取海面目标的三角面元模型数据文件； 步骤2 :生成随机海面模型的三角面元描述的模型数据文件； 步骤3 :生成海上多目标的三维场景模型数据文件； 步骤4:显示三维场景； a、 将OpenGL屏幕坐标系02(x2、y2、z2)的x 2轴方向设为屏幕上的水平向右方向，y2轴 方向设为屏幕上坚直向上，z2方向设为垂直屏幕向外； b、 读入海面上多目标的三维场景模型数据文件； c、 使场景坐标系的原点为OpenGL屏幕坐标系的原点，且使场景中初始的海平面向上 方向为z2方向； 步骤5 :设置机载雷达运动参数，对场景进行显示； 在雷达视线的各个姿态下，以机载雷达波束照射点为中心旋转场景，使得雷达视线 方向保持与OpenGL屏幕坐标系中的-Z方向一致；根据机载雷达波束照射的范围，通过 OpenGL中的窗口函数设置OpenGL视场中的目标场景； 步骤6 :计算在机载雷达运动期间，雷达视线的各个姿态下OpenGL视场中的目标场景 相对雷达视线的姿态角序列；进而得到目标场景显示序列，并依次通过步骤7?9,得到雷 达视线的各个姿态对应的雷达回波，进而得到机载雷达运动期间的雷达回波序列； 步骤7 :对目标场景进行分区显示； a、 获取目标场景在OpenGL屏幕坐标系&、72轴方向的矩形投影尺寸，分别为
b、 令给定的像素分辨尺寸为L，对矩形投影在OpenGL屏幕坐标系x2、y2轴方向分别进 行划分，得到的划分区间数量分别为：
;其中，ROUND 表示四舍五入；则投影矩形总共的分区数为
，对各个分区进行单独的投影显示； 步骤8 :计算各个分区的散射场； 步骤9 :将各分区的散射场矢量叠加，得到总雷达回波数据。 步骤10 :获得场景的SAR图像。 本发明采用经典的雷达成像算法：距离多普勒成像算法，对机载雷达运动期间的雷达 回波序列进行处理，生成海上多目标的高分辨率雷达图像。
2. 如权利要求1所述一种海上多目标SAR图像可视化建模方法，其特征在于：所述步 骤2具体实现方法为： 将无限个随机的余弦波进行叠加来描述一个定点的波面Π (t)，则有：
(1) 式⑴中，3"与％分别为第n个余弦波的振幅与角频率，n e [1?〇〇 ] ; εη为第n个 余弦波在〇?2 π范围内均布的随机初位相；t为时刻； 通过式（2)，可得到随时间以及空间同时变化的固定点波面； (2) 式（2)中，x、y分别为二维海面坐标系0 (x、y)的横纵坐标；第η个余弦波传播方向与 二维海面坐标系中X轴夹角为θη，-π彡θη< ji ;kn为波数。对深水波来说， 式⑵中，各个波的振幅3"，可以由如式（3)中给出的海浪谱求出：
(3) 式⑶中，海浪谱S(?，Θ)的定义如下： S (ω，Θ ) = S (ω) G (ω，Θ )⑷ 式⑷中，S(c〇)为频谱，G(c〇, θ )为方向分布函数，简称方向函数，Δ ω为角频率间 隔；△ Θ余弦波传播方向与二维海面坐标系中X轴夹角间隔； 式（4)中，海浪频谱通过Pierson-Moscowitz谱来模拟：
(5) 式（5)中，a = 8. IX 10_3,为无因次常数，β =0.74, g为重力加速度，U为海面上19. 5m 商处的风速； 式（4)中，海浪方向分布函数通过波浪立体观测计划得到：
(6) 式⑶中，
为
处的谱峰频率； 将通过上述方法生成的海面模型n (x，y，t)存储为三角面元数据文件。
3. 如权利要求1所述一种海上多目标SAR图像可视化建模方法，其特征在于：所述步 骤3的实现方法为：由建模计算机读入海上目标的三角面元描述的模型数据文件，与海面 模型的三角面元描述的模型数据文件，构成整个三维场景；在场景坐标系OiOq、 yi、Zl)中， 以海面的几何中心为原点，改变各个海上目标的初始姿态至所需初始姿态；随后按照海上 目标实际状态，将海上目标的位置和姿态调整至漂浮在海面上的状态，得到模拟真实海面 上多目标的三维场景模型数据文件。
4. 如权利要求1所述一种海上多目标SAR图像可视化建模方法，其特征在于：步骤8实 现方法为： A、计算投影矩形的像素尺寸； OpenGL屏幕坐标系x2、y2轴方向的像素尺寸分别为： (7) (8) 式（7)与式（8)中，
和
分别是每个分区在OpenGL屏幕坐标系x2、y 2轴方向的像 素数； B、 按各分区的投影比例分别进行显示； C、 计算各分区像各素位置信息与法矢信息，具体为： 获得屏幕上各像素的位置信息和颜色信息； 各像素的位置信息： 令屏幕像素为
个，OpenGL屏幕窗口的横向大小为
纵向大小为
，贝1J第m, η个像素的x2, y2大小为
，第m, η个像素的z2值由 OpenGL 的 z-buffer 提供； 各像素颜色信息： 利用OpenGL的光照模型，使红、绿、蓝光源分别位于OpenGL屏幕坐标系的x2, y2, z2轴， 由OpenGL的颜色buffer可获得每个像素颜色的（R, G, B)，分别对应于红绿蓝三种颜色； 通过每个像素位置信息和颜色信息，可分别获取每个像素位置所代表的面元三维坐标 和法矢朝向。其中，颜色信息与法矢朝向间的对应关系为： 令物体表面是漫反射并且每种颜色的漫反射系数为1，光源的强度为1，光传播在媒质 中的衰减为1，则光照模型为：
(9) 式中，Ld为每种颜色的漫反射亮度，i是像素代表的面元法矢，f是指向光源的方向矢 量。则像素代表的面元法矢的子分量与颜色的对应关系为：
毛、兔、矣分别为屏幕坐标系中x2、y2、z2方向的矢量； D、 根据得到的分区各像素位置信息与法矢信息，并对每个子区域利用高频近似理论中 的物理光学计算理论及物理绕射计算理论分区计算其散射场计算分区内所有有效像素的 散射场。 则散射场Sp〇为： 其中，k为雷达波数，As'为每个像素代表的实际投影面积。 (10)
5.如权利要求4所述一种海上多目标SAR图像可视化建模方法，其特征在于：步骤C 中，为确定法矢的正负，须从正负坐标轴用红绿蓝三种光源分别照射目标分区，显示颜色的 一面为法矢方向。
【文档编号】G06T17/00GK104050716SQ201410293057
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年6月25日 优先权日:2014年6月25日
【发明者】方宁, 苏珉, 邹碧霄 申请人:北京航空航天大学