專利名稱：：一種高分辨率合成孔徑雷達的目標散射特性建模方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于雷達圖像處理領(lǐng)域，具體涉及一種利用計算機圖形電磁學(GRECO)原理和雷達建模仿真成像技術(shù)來對高分辨率合成孔徑雷達(SAR)目標進行RCS散射特性建禾莫的方法。
背景技術(shù)：
：GRECO(GraphicElectromagneticComputing)技術(shù)是1993年西班牙人Rius等人提出的一種計算雷達散射截面(RCS)的方法。目前被廣泛地應用于高頻條件下分析復雜目標的散射特性。它充分地利用了計算機硬件對圖形處理的優(yōu)勢，由圖形加速卡完成最困難、最費時的光照遮擋和消隱工作。不僅能準確的模擬目標的散射特性，還具有存儲量小、運算速度快、實時性好的特點。GRECO原理圖如圖-1所示，首先利用OpenGLAPI函數(shù)將目標的3DMax模型讀入創(chuàng)建的OpenGL視口，設(shè)置目標模型的姿態(tài)、光照模型和目標模型的材質(zhì)特性，將目標在屏幕上顯示出來。讀取屏幕上像素點的顏色分量和深度緩存，確定散射面元的法矢量，通過高頻近似計算理論中的物理光學計算方法得到目標每個散射點的RCS值。合成孔徑雷達問世以來就成為人類對周圍環(huán)境進行探測的重要工具。隨著SAR分辨率的不斷提高，自動目標識別(AutomaticTargetRecognition,簡稱ATR)得到迅速的發(fā)展，ATR是指從雷達回波中提取目標的有關(guān)信息標志和穩(wěn)定特征并判明目標屬性的一門技術(shù)?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭對武器的智能化要求越來越高，如何提高制導武器打擊的精度成為眾多國家研究的熱點。在這種背景下，ATR技術(shù)受到了人們的高度重視，提高武器的對目標識別的準確度是ATR研究的關(guān)鍵。要提高制導武器對目標識別的準確度，就要求有高分辨率的雷達圖像作為ATR研究的數(shù)據(jù)源，目前ATR技術(shù)中對目標檢索方法主要有基于模板和基于模型兩種方法，這兩種方法都要求樣本庫中具有大量高精度的目標樣本資源，而軍事目標的雷達圖像樣本往往是比較難以獲得的，尤其是高分辨率的雷達圖像，這很大程度上制約了ATR的研究。目前國內(nèi)大多釆用美國DARPA/AFRLMSTAR工作組提供的實測SAR地面靜止目標數(shù)據(jù)作為ATR研究的雷達數(shù)據(jù)源，伹其中目標較為單一，分辨率較低，很難滿足高分辨率SARATR研究的要求。所以如何獲取軍事目標的高分辨率的雷達圖像對ATR研究具有相當重要的意義。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供一種高分辨率合成孔徑雷達的目標建模方法，采用了GRECO建模和雷達建才莫仿真成像技術(shù)相結(jié)合的方法，生成了高分辨率SAR的典型軍事目標在不同雷達視角和姿態(tài)角下雷達圖像，為獲取軍事目標高分辨率雷達圖像提供了一種有效的途徑，豐富了ATR研究雷達圖像數(shù)據(jù)源的目標樣本，對提高制導武器的識別精度有著重要的意義。一種高分辨率合成孔徑雷達的目標建模方法，包括如下步驟步驟l:獲取典型軍事目標的3DS格式的模型數(shù)據(jù)文件，并讀入建模計算機。步驟2:將目標的3DS格式的模型讀入到OpenGL視口，設(shè)置目標模型的姿態(tài)、OpenGL光照模型和模型的材質(zhì)特性，將目標模型在OpenGL視口中顯示出來。步驟3:通過讀取OpenGL視口上像素點的顏色分量來確定像素點所對應散射面元的法矢量，進而確定光照入射方向和散射面元法矢量之間的夾角；讀取像素點的深度緩存值來確定像素點對應的散射面元到OpenGL視口平面的距離，結(jié)合雷達發(fā)射波參數(shù)和像素點的單位線度，計算每個散射點的RCS值。由毎個像素點對應的散^f點在屏幕坐標系下的三維坐標和RCS值，可生成該目標模型在屏幕坐標系下的具有雷達散射特性的三維電磁散射模型。步驟4:設(shè)置場景坐標系中的X-Y平面為地球表面，垂直于地球表面向上為Z的正方向；屏幕坐標系x軸方向為屏幕上的水平向右方向，Y方向為屏幕上豎直向上，z方向為垂直屏幕向外；設(shè)模型在OpenGL視口中沿屏幕坐標系的X軸旋轉(zhuǎn)角度P，再沿模型坐標系z軸旋轉(zhuǎn)角度"，則場景坐標系由屏幕坐標系繞^軸旋轉(zhuǎn)^得到，將每個散射點在屏幕坐標系下的三維坐標轉(zhuǎn)為在場景坐標系中的三維坐標，得到模擬真實目標的三維散射場景。步驟5:設(shè)置真實的機載雷達參數(shù)，建立高分辨率機載SAR回波仿真模型，對目標場景進行仿真成像，生成目標不同雷達視角和目標姿態(tài)角下的髙分辨率RCS雷達圖像。所述步驟3中，由像素點在OpenGL視口平面上的相對位置和像素點的單位線度相乘構(gòu)成每個散射點的X-Y坐標，將像素點的深度緩存值與像素點的單位線度相乘構(gòu)成散射點的Z坐標，由X-Y坐標和Z坐標可生成該像素點對應的散射點在屏幕坐標系下的三維坐標。所述步驟3中，利用高頻近似計算理論中的物理光學計算理論計算每個散射點的RCS值，并結(jié)合散射點的三維坐標生成了目標具有雷達散^f特性的三維電磁散射模型。所述步驟5中，仿真成像時，所選用的雷達視角為模型在OpenGL視口中繞屏幕坐標系的X軸的旋轉(zhuǎn)角，目標在地面上的姿態(tài)角為模型繞模型坐標系的Z軸的旋轉(zhuǎn)角。通過以上方法來實現(xiàn)高分辨率SAR目標建模有如下優(yōu)勢(1)利用計算機仿真比實測得到目標的RCS雷達圖像數(shù)據(jù)更為快捷，成本更低；(2)利用計算機完成了費時的光照的遮擋工作，運算速度較快、計算量較?。?3)通過改變，莫型的姿態(tài)就可生成不同雷達視角和姿態(tài)角下得雷達圖像，具有很好的實時性和較大的靈活性；(4)生成目標的RCS雷達圖像具有很高的分辨率。圖1是GRECO原理圖；圖2是本發(fā)明基于雷達目標散射特性建模的整體框架圖；圖3是本發(fā)明利用GRECO進行目標RCS建模具體實施的流程圖；圖4是本發(fā)明屏幕坐標系和模型坐標系重合時的關(guān)系圖；圖5是本發(fā)明在有一定旋轉(zhuǎn)角情況下屏幕坐標系和模型坐標系之間的關(guān)系圖；圖6是本發(fā)明利用雷達建^莫仿真成像的流程圖；圖7是本發(fā)明中模型坐標系、屏幕坐標系和場景坐標系之間的關(guān)系圖；圖8是本發(fā)明生成的戰(zhàn)斗機的RCS雷達圖像。具體實施方式下面將結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。本實施例結(jié)合，詳細闡述利用GRECO原理和雷達仿真成像技術(shù)來對高分辨率SAR目標進行散射特性建模的具體實施方案，整個過程的框架圖如圖2，大致可分為五個步驟來說明前三步是對目標模型進行RCS散射特性建模的過程，該過程可用圖3來表示。下面結(jié)合圖3對該過程進行詳細地說明。第一步獲取目標戰(zhàn)斗機3DS格式的模型數(shù)據(jù)文件。用Autodesk3dsMax8.0為目標戰(zhàn)斗機建模，3DS格式文件是3DMax軟件支持的一種模型數(shù)據(jù)文件。".3ds"文件結(jié)構(gòu)是由"塊"組成的，它們描述了接在它們后面的數(shù)據(jù)信息。"塊"由兩部分組成ID和下一個數(shù)據(jù)塊的位置。3DS文件有一個主塊，m是0x4D4D，這個塊是3DS文件的開始。通過尋找不同塊的ID,可以讀取文件中各種數(shù)據(jù)信息。第二步OpenGL屏幕顯示。利用OpenGLAPI函數(shù)讀入目標戰(zhàn)斗機3DS格式的模型數(shù)據(jù)文件后，設(shè)置目標模型在OpenGL視口中的姿態(tài)。本實施例中，OpenGL視口的大小為400X400像素，目標模型在OpenGL視口中的顯示圖在X，Y方向上最大長度為200個像素左右，像素點的單位線度等于目標的真實尺寸除以模型在OpenGL視口平面相應位置所對應的像素點的個數(shù)，比如本實施例中F-14戰(zhàn)斗機的機身長度大約位20米，模型機身長度所占的像素點的個數(shù)為200個，則應設(shè)置像素點的單位線度為0.1米。定義兩個坐標系屏幕坐標系(x，y,z)和模型坐標系(xt，,yt，zt)。當目標模型在OpenGL視口中不進行任何旋轉(zhuǎn)和移動操作時，屏幕坐標系和模型坐標系重合，X軸的正方向為水平向右；Y軸的正方向為豎直向上；Z軸的方向為垂直X-Y平面向夕卜，如圖4所示，規(guī)定圖4所示的目標姿態(tài)為繞^的旋轉(zhuǎn)角為0。，繞r的旋轉(zhuǎn)角為0°(順時針方向為正方向)，為了生成不同雷達視角和目標姿態(tài)角下的雷達圖像，需要在OpenGL視口中設(shè)置目標模型的姿態(tài)，本發(fā)明中主要是設(shè)置模型繞屏幕坐標系中X軸的旋轉(zhuǎn)角6>和繞模型坐標系z軸的旋轉(zhuǎn)角《。設(shè)置<9為60°，《為0°，此時屏幕坐標系和模型坐標系之間的關(guān)系可表示為圖5。屏幕坐標系(x，y,z)繞x軸旋轉(zhuǎn)0為纟莫型坐標系(Xt，,yt,Zt)。設(shè)置OpenGL光照模型對目標模型進行色彩渲染，本發(fā)明采用Phong光照模型，設(shè)置紅綠藍單色光(光強都是l)分別從x,y，z三個方向照射目標模型。設(shè)置目標模型材質(zhì)的反射特性為漫反射特性，材質(zhì)的環(huán)境光顏色分量、鏡面反射光顏色分量都為0，將目標模型在OpenGL視口中顯示出來。第三步目標RCS散射特性建模。讀取OpenGL視口中每個像素點顏色分量，由Phong光照模型簡化模型可知像素點的紅、綠、藍顏色分量與其對應的散射面元的表面法矢量的x,y,z分量一一對應且相等，通過讀取像素點的顏色分量就可以確定該像素點對應的散射面元的法矢量方向，本發(fā)明將藍光作為入射光源，設(shè)散射面元與藍光的入射方向(屏幕坐標系的Z方向)的夾角為5，則散射面元法矢量在Z軸上的投影為cos《，而法矢量在Z軸上分量與像素點顏色分量中的藍色光分量相等，貝ijcos5的值即為像素點顏色分量中的藍色光分量。獲得模型散射面元的法矢量后，利用高頻近似計算理論中的物理光學計算理論，可以計算出每個散射面元的RCS值，計算公式如式(1):<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>1)Acos5其中O"為每個散射面元的RCS值；A為雷達工作波長；A:為波數(shù)；^為光照入射方向與散射點所在面元法線方向的夾角；/為表示每個方形像素所在屏幕上的單位線度；z為屏幕到散射點之間的距離；A9為每個像素點的面積。用每個像素點在屏幕上的相對位置與像素點的單位線度相乘即得到其在屏幕上的X-Y坐標，讀取每個像素點的深度緩存值，深度緩存值與像素點的單位線度相乘得到該像素點對應散射點的Z坐標。像素點在屏幕上的X-Y坐標和對應散射點的Z坐標構(gòu)成了每個可見散射點在屏幕坐標系下的三維坐標，結(jié)合每個散射點的RCS值可生成該目標在屏幕坐標系下具有雷達散射特性的三維電磁散射模型。第四、第五兩步是目標場景建模和雷達仿真成像，其流程圖如圖6，下面結(jié)合流程圖對該過程進行具體的說明。第四步目標場景建模。由前三步可以得到目標模型在屏幕坐標系下的三維電磁散射模型。為了纟莫擬真實的目標場景，需要將目標在屏幕坐標系下的三維散射模型轉(zhuǎn)換為在場景坐標系下的三維散射場景。其中場景坐標系的X-Y平面與模型坐標系的Xt-Yt平面重合，場景坐標系的X軸與屏幕坐標系的X軸重合，把場景坐標系的X-Y平面當作地球表面，場景坐標系的Z軸垂直地面向上，模型坐標系(xt,，yt，zt)、屏幕坐標系(x，y，z)和場景坐標系(X，Y，Z)之200810112009.6說明書第5/5頁(U，z)-o，少,z)(2)間的關(guān)系如圖7(為了圖形的清晰，沒有將三個坐標系的原點畫在模型的幾何中心，實際中應該重合)。設(shè)目標在OpenGL視口中沿屏幕坐標系^軸旋轉(zhuǎn)角度0，再沿模型坐標系得z軸旋轉(zhuǎn)角度"。根據(jù)幾何變換可以將每個像素點對應的散射點在屏幕坐標系下的坐標轉(zhuǎn)換為在場景坐標系中的坐標。設(shè)O,y，z)為散射點在屏幕坐標系下的坐標，(x，r，z)為坐標轉(zhuǎn)換后散射點在場景坐標系下的坐標，則坐標轉(zhuǎn)換公式可用下式表示<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>根據(jù)幾何變換關(guān)系可知雷達的視角即為目標沿屏幕坐標系^軸旋轉(zhuǎn)角度^，目標在場景坐標系中繞z軸旋轉(zhuǎn)角即為模型在模型坐標系中沿z軸的旋轉(zhuǎn)角a。這樣就可以模擬目標的真實三維場景，可以通過調(diào)整0和"角來改變雷達視角和目標在地面上繞z軸的旋轉(zhuǎn)角。充分體現(xiàn)了這種方法在模擬真實場景建模中的靈活性。第五步設(shè)置真實的機載雷達參數(shù)對目標場景進行仿真成像。雷達視角即為目標模型在OpenGL視口中繞屏幕坐標系X軸的旋轉(zhuǎn)角(當模型在OpenGL視口中旋轉(zhuǎn)后，模型坐標系也隨著旋轉(zhuǎn)相同的角度)。目標在OpenGL視口中繞模型坐標系z軸的旋轉(zhuǎn)角即為場景坐標系中目標的姿態(tài)角，利用機載高分辨SAR回波仿真模型對場景目標進行回波仿真和成像處理就可以生成目標在不同雷達視角和目標姿態(tài)角下的高分辨率RCS雷達圖像。本實施例中，利用高分辨率條帶機載SAR回波仿真模型對目標進行回波仿真，工作方式為正側(cè)視，雷達發(fā)射波采用毫米波段的線性調(diào)頻波(LFM)脈沖，雷達工作參數(shù)如表1所示，方位向理論分辨率為0.1米，距離向理論分辨率為0.1米。表1雷達參數(shù)<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>本發(fā)明成像算法采用經(jīng)典的雷達成像算法CS(ChirpScaling)雷達成像算法，在雷達視角為60°，目標旋轉(zhuǎn)角為0。的條件下，生成分辨率為0.1米的目標戰(zhàn)斗機的RCS雷達圖像。如圖8所示，從圖中可以看出，該圖具有了雷達圖像的一些基本特征，雷達在距離向基于距離分辨和在方位向基于角度分辨的特性得到了很好的體現(xiàn)，而且圖像的分辨率很高。通過調(diào)整目標模型在OpenGL視口中的姿態(tài)就可以改變雷達視角和目標的旋轉(zhuǎn)角，可以生成目標在不同姿態(tài)下的雷達圖像。實驗證明了利用GRECO原理和雷達仿真成像技術(shù)對雷達目標進行建模的可行性。權(quán)利要求1.一種高分辨率合成孔徑雷達的目標散射特性建模方法，包括如下步驟步驟一獲取典型軍事目標的3DS格式的模型數(shù)據(jù)文件，并讀入建模計算機；步驟二將目標的3DS格式的模型讀入到OpenGL視口，設(shè)置目標模型的狀態(tài)、OpenGL光照模型和模型的材質(zhì)特性，將目標模型在OpenGL視口中顯示出來；步驟三通過讀取OpenGL視口上像素點的顏色分量來確定像素點所對應散射面元的法矢量，進而確定光照入射方向和散射面元法矢量之間的夾角；讀取像素點的深度緩存值來確定像素點對應的散射面元到OpenGL視口平面的距離，結(jié)合雷達發(fā)射波參數(shù)和像素點的單位線度，計算每個散射點的RCS值，結(jié)合該像素點對應散射點的在屏幕坐標系下的三維坐標，生成該目標模型在屏幕坐標系下的具有雷達散射特性的三維電磁散射模型；步驟四設(shè)置場景坐標系中的X-Y平面為地球表面，垂直于地球表面向上為Z的正方向；屏幕坐標系x軸方向為屏幕上的水平向右方向，y方向為屏幕上豎直向上，z方向為垂直屏幕向外；設(shè)模型在OpenGL視口中沿屏幕坐標系的x軸旋轉(zhuǎn)角度θ，再沿模型坐標系z軸旋轉(zhuǎn)角度α，則場景坐標系由屏幕坐標系繞x軸旋轉(zhuǎn)θ得到，將每個散射點在屏幕坐標系下的三維坐標轉(zhuǎn)為在場景坐標系中的三維坐標，得到模擬真實目標的三維電磁散射場景；步驟五設(shè)置真實的機載雷達參數(shù)，利用機載高分辨SAR回波仿真模型對場景目標進行回波仿真，再進行成像處理，生成目標在不同雷達視角和目標姿態(tài)角下的高分辨率RCS雷達圖像。2、根據(jù)權(quán)利要求l所述一種髙分辨率合成孔徑雷達的目標散射特性建+莫方法，其特征在于所述步驟三中，由像素點在OpenGL視口平面上的相對位置和像素點的單位線度相乘構(gòu)成每個散射點的X-Y坐標，將像素點的緩存值與象素點的單位線度相乘構(gòu)成散射點的Z坐標，可生成該像素點對應散射點的在屏幕坐標系下的三維坐標。3、根據(jù)權(quán)利要求l所述一種高分辨率合成孔徑雷達的目標散射特性建模方法，其特征在于所述步驟三中，利用高頻近似計算理論中的物理光學計算理論計算每個散射點的RCS值，并結(jié)合散射點的三維坐標生成了目標具有雷達散射特性的三維電磁散射模型。4、根據(jù)權(quán)利要求l所述一種高分辨率合成孔徑雷達的目標散射特性建模方法，其特征在于:所述步驟五中，仿真成像時，所選用的雷達視角為模型在OpenGL視口中繞屏幕坐標系的X軸的旋轉(zhuǎn)角，目標在地面上的姿態(tài)角為模型繞模型坐標系的Z軸的旋轉(zhuǎn)角。全文摘要本發(fā)明提供一種高分辨率合成孔徑雷達的目標散射特性建模方法，采用了GRECO原理和雷達建模仿真成像技術(shù)相結(jié)合的方法。首先利用GRECO原理分析目標模型的散射特性，生成目標在屏幕坐標系下的三維電磁散射模型，然后通過坐標轉(zhuǎn)換將該散射模型轉(zhuǎn)換為在場景坐標系中三維散射場景，再利用機載SAR回波仿真模型對該三維場景目標進行回波仿真，經(jīng)成像處理后生成目標在不同姿態(tài)下的高分辨率RCS雷達圖像。為獲取軍事目標高分辨率雷達圖像提供了一種有效的途徑，豐富了自動目標識別研究雷達圖像數(shù)據(jù)源的目標樣本，對提高制導武器的識別精度研究有著重要的意義。文檔編號G01S13/00GK101281249SQ200810112009公開日2008年10月8日申請日期2008年5月20日優(yōu)先權(quán)日2008年5月20日發(fā)明者李軍顯,李少斌,李春升,威楊,段世忠,杰陳申請人:北京航空航天大學