專利名稱：：雙站合成孔徑雷達(dá)海浪方向譜的仿真方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：發(fā)明涉及一種雙站合成孔徑雷達(dá)海浪方向譜的仿真方法，屬于海洋遙感技術(shù)中海浪方向譜的仿真方法的
技術(shù)領(lǐng)域：
。
背景技術(shù)：
：合成孔徑雷達(dá)(SAR，syntheticapertureradar)作為一種全天時(shí)、全天候和高分辨率微波遙感技術(shù)得到了快速發(fā)展，已成為監(jiān)測(cè)海洋環(huán)境、開展海洋動(dòng)力學(xué)研究以及保障海上交通安全的一種有力工具。與常規(guī)的海洋調(diào)查手段相比，SAR海洋遙感具有以下獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)(l)可對(duì)海洋進(jìn)行全天時(shí)和全天候的觀測(cè)，它不受地表、海面、天氣和人為條件的限制；(2)可對(duì)海洋動(dòng)力學(xué)進(jìn)行大范圍和周期性的監(jiān)測(cè)，如海浪、內(nèi)波、海底地形、淺海水深以及海面風(fēng)場(chǎng)等；(3)可對(duì)海洋背景下的目標(biāo)進(jìn)行大范圍和周期性的監(jiān)測(cè)，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(cè)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(nèi)對(duì)海洋環(huán)境的監(jiān)測(cè)和海洋科學(xué)的研究發(fā)揮著重要的意義。雙站SAR(BiSAR，bistaticsyntheticapertureradar)是指收發(fā)平臺(tái)在空間上是分離的。與傳統(tǒng)SAR相比，雙站SAR的優(yōu)勢(shì)在于可以獲取目標(biāo)的豐富信息，收/發(fā)系統(tǒng)配置的靈活性以及接收系統(tǒng)的小型化、低成本和隱蔽性等。目前，針對(duì)這一新體制雷達(dá)的研究還主要圍繞在成像算法、運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)认到y(tǒng)設(shè)計(jì)方面；國(guó)內(nèi)外機(jī)載BiSAR陸地遙感飛行試驗(yàn)的成功，標(biāo)志著BiSAR在系統(tǒng)研制和成像算法方面均已取得了重大突破。從目前公開發(fā)表的文獻(xiàn)來(lái)看，還未曾見到實(shí)測(cè)的BiSAR海洋數(shù)據(jù)或者圖像。但是，許多國(guó)家都已提出了星載雙站SAR的研究計(jì)劃，如加拿大的Radarsat-2/3計(jì)劃、意大利的BISSAT計(jì)劃、法國(guó)的Cartwheel、德國(guó)的Pendulum與TanDEM-X計(jì)劃等。這些計(jì)劃為BiSAR海浪方向譜的仿真提供了很好的系統(tǒng)原型。同時(shí)BiSAR海浪方向譜的仿真方法也會(huì)對(duì)我國(guó)微波遙感器的自主研發(fā)產(chǎn)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(jì)算為基礎(chǔ)的海面回波信號(hào)的仿真，然后運(yùn)用SAR成像算法來(lái)獲得SAR圖像，最后通過(guò)FFT運(yùn)算得到SAR海浪方向譜。由于該方法需要仿真時(shí)域內(nèi)的回波信號(hào)，因此該方法的運(yùn)算效率較低，而且該方法的準(zhǔn)確性還與海面電磁散射模型的選擇密切相關(guān)。二是通過(guò)建立海浪譜與SAR海浪方向譜之間的映射關(guān)系，來(lái)直接獲得SAR海浪方向譜，該方法是以雷達(dá)波調(diào)制理論為基礎(chǔ)。海浪譜與SAR海浪方向譜之間的映射關(guān)系是SAR海洋遙感應(yīng)用領(lǐng)域中的核心問(wèn)題之一，也是SAR圖像反演海浪譜的基礎(chǔ)和前提。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷提供一種雙站合成孔徑雷達(dá)海浪方向譜的仿真方法。通過(guò)設(shè)置不同的海浪參數(shù)和BiSAR系統(tǒng)參數(shù)，可得到BiSAR海浪方向譜。本發(fā)明可用于海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)和海洋科學(xué)研究，在海上防災(zāi)減災(zāi)方面發(fā)揮重要作用。本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案本發(fā)明雙站合成孔徑雷達(dá)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(jù)海浪參數(shù)，計(jì)算JONSWAP海浪譜和海面鉛直位移JONSWAP海浪譜的表達(dá)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(shù)，a為尺度系數(shù)；根據(jù)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(fù)共軛算子，i為虛數(shù)，t為時(shí)間，x為海面空間向量，N為海浪波數(shù)的個(gè)數(shù)，j表示索引數(shù)，kj為第j個(gè)海浪的波數(shù)向量，氣為第j個(gè)海浪的相位噪聲，S("j)表示角頻率為"j的JONSWAP海譜的數(shù)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(jù)雙站SAR幾何參數(shù)和雷達(dá)波參數(shù)，則含有軌道速度和加速度擾動(dòng)的海面回波信號(hào)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(shù)，x。表示海面的某一位置，m(kj)為海浪對(duì)雷達(dá)波的調(diào)制系數(shù)，仍("^)為發(fā)射機(jī)所產(chǎn)生的相位，^(Z^。)為接收機(jī)所產(chǎn)生的相位；當(dāng)收發(fā)天線為正側(cè)視，則發(fā)射信號(hào)或接收信號(hào)的相位可表示為爐"0,x。)"(及"++(7//—x。)2)+^1?！狹""(W+會(huì)"W2]，k為雷達(dá)波的波數(shù)，下標(biāo)n={1，2}，n=1表示的是發(fā)射機(jī)，n=2表示的是接收機(jī)，Vn為發(fā)射機(jī)/接收機(jī)的速度，Rn為發(fā)射機(jī)/接收機(jī)與海面中心的最近距離，Ao為發(fā)射機(jī)/接收機(jī)常數(shù)相位項(xiàng)，Un為發(fā)射機(jī)/接收機(jī)海浪軌道速度，An為發(fā)射機(jī)/接收機(jī)海浪軌道的加速度；步驟三根據(jù)雙站SAR距離-多普勒成像算法，對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行匹配濾波處理，得到雙站SAR的海浪圖像當(dāng)發(fā)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(shí)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(shù)為r(t，x。)G2(t，x。)Gjt，x。)e(t，x。)*h(t，x。)，其中，*表示的巻積運(yùn)算，雙站SAR海浪圖像I(x)可表式為，/(x)=<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>其中，/^=^為發(fā)射機(jī)或接收機(jī)所產(chǎn)生的方位分辨率，A為雷達(dá)波波長(zhǎng)，x為BiSAR圖像的位置，p;;=/7{1+l>(:^)2(2)fp為由軌道加速度導(dǎo)致圖像分辨率下降因子；步驟四，將BiSAR海浪圖像進(jìn)行二維FFT運(yùn)算后，得到BiSAR海浪方向譜。所述的雙站合成孔徑雷達(dá)海浪方向譜的仿真方法，其特征在于采用數(shù)值積分的方法來(lái)求得雙站SAR海浪圖像I(x)。本發(fā)明通過(guò)理論分析得到含有海浪軌道速度和加速度的BiSAR回波信號(hào)的表達(dá)式；然后根據(jù)BiSAR距離-多普勒成像算法，對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行匹配濾波處理，得到BiSAR海浪圖像的解析式；并采用數(shù)值積分的方法來(lái)求得BiSAR海浪圖像。本發(fā)明的特點(diǎn)是不需要在時(shí)域內(nèi)產(chǎn)生回波信號(hào)和成像處理而是采用數(shù)值積分的方法來(lái)求得雙站SAR海浪圖像。因此，該方法具有較高的運(yùn)算效率。圖1為本發(fā)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(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明如圖1所示，本發(fā)明雙站合成孔徑雷達(dá)海浪方向譜的仿真方法，包括如下步驟步驟一根據(jù)海浪參數(shù)，計(jì)算JONSWAP海浪譜和海面鉛直位移。JONSWAP海浪譜S(")的表達(dá)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(shù)；a為尺度系數(shù)。根據(jù)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(fù)共軛算子；i為虛數(shù)；t為時(shí)間；X為海面空間向量；N為海浪波數(shù)的個(gè)數(shù)；j表示索引數(shù)；kj為第j個(gè)海浪的波數(shù)向量；小j為第j個(gè)海浪的相位噪聲；S("》表示角頻率為"j的JONSWAP海譜的數(shù)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(jù)雙站SAR幾何參數(shù)和雷達(dá)波參數(shù)，則含有軌道速度和加速度擾動(dòng)的海面回波信號(hào)可表示為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>其中，o。表示海浪的散射系數(shù)；x。表示海面的某一位置；m(kj)為海浪對(duì)雷達(dá)波的調(diào)制系數(shù)，為發(fā)射機(jī)所產(chǎn)生的相位，^(^0)為接收機(jī)所產(chǎn)生的相位。當(dāng)收發(fā)天線為正側(cè)視，則發(fā)射信號(hào)或接收信號(hào)的相位可表示為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>k為雷達(dá)波的波數(shù)；下標(biāo)n={1，2}，n=1表示的是發(fā)射機(jī)，n=2表示的是接收機(jī)，Vn為發(fā)射機(jī)/接收機(jī)的速度，Rn為發(fā)射機(jī)/接收機(jī)與海面中心的最近距離，A。為常數(shù)相位項(xiàng)，Un為海浪軌道速度，An為海浪軌道的加速度。步驟三根據(jù)雙站SAR距離-多普勒成像算法，對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行匹配濾波處理，得到雙站SAR的海浪圖像。當(dāng)發(fā)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(shí)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(shù)為r(t，x。)=G2(t，x。)^(t，x。)e(t，x。)樸(t，x。)。其中，*表示的巻積運(yùn)算。經(jīng)過(guò)復(fù)雜的計(jì)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(fā)射機(jī)或接收機(jī)所產(chǎn)生的方位分辨率，A為雷達(dá)波波長(zhǎng)，x為BiSAR圖像的位置，p;;=pji+[A;(r^(AlA)]^為由軌道加速度導(dǎo)致圖像分辨率下降22因子。需要說(shuō)明的是，對(duì)式(3)很難求出具有物理含義的解析式，通常采用數(shù)值積分的方法來(lái)求解。步驟四將BiSAR海浪圖像進(jìn)行二維FFT運(yùn)算后，得到BiSAR海浪方向譜。實(shí)施例在Matlab平臺(tái)上，對(duì)其進(jìn)行了仿真和驗(yàn)證。在對(duì)具體實(shí)施步驟說(shuō)明之前，首先給出海浪參數(shù)和BiSAR的系統(tǒng)參數(shù)。海面風(fēng)速為7m/s，海浪波長(zhǎng)為100m，尺度系數(shù)a為0.0081，峰升因子y為1。合成孔徑時(shí)間為2.5s，雷達(dá)波長(zhǎng)為0.24m，發(fā)射機(jī)入射角為45。，接收機(jī)入射角為30。，發(fā)射機(jī)與海浪中心的最近距離為10km，接收機(jī)與海浪中心的最近距離為8km，發(fā)射機(jī)的速度為220m/s，接收機(jī)的速度為200m/s。發(fā)射機(jī)與接收機(jī)是同向平行飛行的，海浪的傳播方向與收/發(fā)平臺(tái)的飛行方向一致。步驟一、根據(jù)海浪參數(shù)，計(jì)算JONSWAP海浪譜。將海面鉛直位移存儲(chǔ)在一個(gè)64X64的矩陣中并初始化為O。將海浪譜存儲(chǔ)在一個(gè)32X32的矩陣中并初始化為O。海浪譜間隔Ak為0.01rad/m。根據(jù)深水波的頻散關(guān)系，則海浪峰值角頻率"m為0.7847rad。利用式(1)，計(jì)算出JONSWAP海浪譜，如圖2所示。步驟二、利用式(2)，計(jì)算海面鉛直位移。首先將海浪空間位置x離散化后存儲(chǔ)在一個(gè)1X64的數(shù)組中并，海浪空間位置y離散化后也存儲(chǔ)在一個(gè)64X1的數(shù)組中；然后，利用步驟一計(jì)算出的JONSWAP海浪譜和式(2)，計(jì)算海面鉛直位移。步驟三、根據(jù)海浪參數(shù)和BiSAR系統(tǒng)參數(shù)，計(jì)算BiSAR海浪圖像。利用式(3)，采用迭代自適應(yīng)Lobatto積分方法計(jì)算BiSAR海浪圖像。步驟四、對(duì)BiSAR海浪圖像進(jìn)行二維FFT運(yùn)算，得到BiSAR海浪方向譜，如圖3所示。權(quán)利要求一種雙站合成孔徑雷達(dá)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(jù)海浪參數(shù)，計(jì)算JONSWAP海浪譜和海面鉛直位移JONSWAP海浪譜的表達(dá)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(shù)，α為尺度系數(shù)；根據(jù)Longuet-Higgins模型；海面鉛直位移ζ為其中，c.c.表示復(fù)共軛算子，i為虛數(shù)，t為時(shí)間，x為海面空間向量，N為海浪波數(shù)的個(gè)數(shù)，j表示索引數(shù)，kj為第j個(gè)海浪的波數(shù)向量，φj為第j個(gè)海浪的相位噪聲，S(ωj)表示角頻率為ωj的JONSWAP海譜的數(shù)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(jù)雙站SAR幾何參數(shù)和雷達(dá)波參數(shù)，則含有軌道速度和加速度擾動(dòng)的海面回波信號(hào)可表示為其中，σ0表示海浪的散射系數(shù)，x0表示海面的某一位置，m(kj)為海浪對(duì)雷達(dá)波的調(diào)制系數(shù)，為發(fā)射機(jī)所產(chǎn)生的相位，為接收機(jī)所產(chǎn)生的相位；當(dāng)收發(fā)天線為正側(cè)視，則發(fā)射信號(hào)或接收信號(hào)的相位可表示為k為雷達(dá)波的波數(shù)，下標(biāo)n＝{1，2}，n＝1表示的是發(fā)射機(jī)，n＝2表示的是接收機(jī)，Vn為發(fā)射機(jī)/接收機(jī)的速度，Rn為發(fā)射機(jī)/接收機(jī)與海面中心的最近距離，為發(fā)射機(jī)/接收機(jī)常數(shù)相位項(xiàng)，Un為發(fā)射機(jī)/接收機(jī)海浪軌道速度，An為發(fā)射機(jī)/接收機(jī)海浪軌道的加速度；步驟三根據(jù)雙站SAR距離-多普勒成像算法，對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行匹配濾波處理，得到雙站SAR的海浪圖像當(dāng)發(fā)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(shí)間，方位向匹配濾波器為BiSAR輸出功率密度函數(shù)為r(t，x0)＝G2(t，x0)G1(t，x0)e(t，x0)*h(t，x0)，其中，*表示的卷積運(yùn)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(fā)射機(jī)或接收機(jī)所產(chǎn)生的方位分辨率，λ為雷達(dá)波波長(zhǎng)，x為BiSAR圖像的位置，為由軌道加速度導(dǎo)致圖像分辨率下降因子；步驟四，將BiSAR海浪圖像進(jìn)行二維FFT運(yùn)算后，得到BiSAR海浪方向譜。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙站合成孔徑雷達(dá)海浪方向譜的仿真方法，其特征在于采用數(shù)值積分的方法來(lái)求得雙站SAR海浪圖像I(x)。全文摘要本發(fā)明公布了一種雙站合成孔徑雷達(dá)海浪方向譜的仿真方法。包括以下步驟根據(jù)海浪參數(shù)，計(jì)算JONSWAP海浪譜和海浪鉛直位移；依據(jù)雷達(dá)波調(diào)制理論和BiSAR系統(tǒng)參數(shù)，得到含有海浪軌道速度和加速度的BiSAR回波信號(hào)；然后根據(jù)BiSAR距離-多普勒成像算法，對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行匹配濾波處理，得到BiSAR海浪圖像的解析式；并采用數(shù)值積分的方法來(lái)求得BiSAR海浪圖像。最后，對(duì)BiSAR海浪圖像進(jìn)行二維FFT運(yùn)算可得到BiSAR海浪方向譜。本發(fā)明不需要在時(shí)域內(nèi)產(chǎn)生回波信號(hào)和成像處理而是采用數(shù)值積分的方法來(lái)求得BiSAR海浪圖像，具有較高的運(yùn)算效率。文檔編號(hào)G01S7/41GK101697011SQ20091023359公開日2010年4月21日申請(qǐng)日期2009年10月29日優(yōu)先權(quán)日2009年10月29日發(fā)明者張尤賽,楊永紅,林明,陸南申請(qǐng)人:江蘇科技大學(xué);