基于复合电磁散射的典型目标与自然环境极化SAR图像建模

SAR image is essentially a distribution map of the electromagnetic scattering rate. Based on the continuous development of composite electromagnetic scattering theory, the SAR image simulation becomes possible on PC. This project focuses on the SAR image simulation of the typical military targets and the natural environment. It dedicates to build a complete set of SAR image modeling method which combine the geometric modeling, electromagnetic scattering calculation and SAR imaging principle. Specific research contents include: 1) Typical military targets precise geometric modeling based on photo restoration; 2) Natural environment geometric modeling based on fractal geometry. 3) Geometric modeling of the natural environment and targets; 4)Calculation of the electromagnetic scattering of a typical military targets based on high-frequency method; 5) Calculation of electromagnetic scattering of the natural environment based on random rough surface scattering theory and VRT theory; 6) Calculation of composite electromagnetic scattering of the target and environment based on SBR method; 7) SAR image fast projection method; 8) Evaluation of the validation of the SAR image simulation. By the reseach of above-mentioned contents and breakthroughs in key technologies, we will make the SAR image simulation technology really used for automatic target recognition applications,etc.

SAR图像在本质上是地物对电磁波散射率大小的分布图，基于不断发展的复合电磁散射计算理论，使得在计算机上模拟SAR图像成为可能。本项目研究典型军事目标和自然环境的极化SAR图像建模问题，将几何建模、电磁散射计算和SAR成像原理相结合，构建一套完整的SAR图像建模方法。具体研究内容包括：1）基于照片复原的典型军事目标的精确几何建模；2）基于分形几何的自然环境的几何建模；3）目标和环境的复合场景的几何建模；4）基于高频电磁计算方法的典型军事目标的电磁散射计算；5）基于随机粗糙面理论和VRT理论的自然环境的自然散射计算；6）基于射线跟踪法的目标和环境的复合电磁散射计算；7）电磁散射率到SAR图像的快速投影法研究；8）SAR图像建模的效果评价。通过上述环节的研究，突破关键技术，促进SAR图像建模技术在目标自动识别等方面的应用。

合成孔径雷达具有全天候、可穿透性、高分辨率等特点，目前已经在国防领域和民用领域得到了广泛的应用。SAR 图像本质上是地物电磁散射率的分布图，而SAR 图像建模指的是通过几何建模和电磁计算等方法，通过计算机模拟得到不同地物目标在不同雷达工作参数下的模拟的 SAR 图像，在SAR图像目标识别应用、SAR图像判读、SAR图像校正以及SAR机理揭示方面能够发挥重要作用。依托本项目支持，主要开展了如下工作：.(1) 研究了高频电磁散射计算理论，开发了一套基于射线跟踪法的SAR图像仿真软件，构建了一套完整的SAR图像仿真流程。仿真得到典型背景目标SAR图像，该SAR图像仿真软件输入信号为目标场景三维模型，输出为仿真SAR图像，采用投影映射法将计算结果投影到雷达成像平面，得到仿真SAR图像。研究结果表明，射线跟踪法和投影映射法相结合，是SAR图像仿真的有效手段。.(2) 提出了一种基于射线跟踪的斑点噪声仿真方法，并推导出粗糙面表面参数和其SAR图像斑点噪声之间的关系式。该方法首先根据目标粗糙表面参数，通过蒙特卡洛法仿真目标粗糙表面，将其高度采样作为随机位移添加到射线跟踪时入射射线与目标表面相交处，来模拟目标粗糙表面，采样间隔为射线管间隔，再通过高频电磁散射计算，得到了具有斑点噪声的仿真SAR图像。该斑点噪声仿真方法通过模拟目标粗糙表面仿真斑点噪声，揭示了斑点噪声产生机制。.(3) 研究了SAR图像中的建筑物反演理论，并根据该理论将仿真SAR图像反演得到三维模型。通过将反演得到的三维模型与SAR图像仿真所用三维模型相比较，评估SAR图像仿真方法的精确性。这种评估方法能够排除建模场景与真实场景之间的差异导致的误差，单独验证SAR图像仿真软件本身的精确性。.(4) 提出了一套SAR图像仿真效果验证方法，并对SAR图像仿真结果进行了评价：选取一些典型背景目标如坦克与粗糙面、港口与海面、机场与跑道、航母与海面等仿真SAR图像进行分析，研究结果表明这套量化评价方法适用于SAR图像仿真效果的评价。.依托上述研究成果，本项目组已经将其多个预研基金、洛阳612所、北京17所等多个项目中得到应用，应用结果表明了该SAR图像建模仿真方法的有效性，对促进SAR图像建模深入研究具有较大参考价值。