SAR成像方法及其成像系统分析

王龙

摘  要：本文对SAR成像仿真系统结构进行分析，并通过系统仿真的方式，将场景模型的散射特点充分体现出来，在三维场景与SAR传感器仿真融合基础上绘制仿真图像。根据仿真结果可知，speckle的数值与成像效果具有反比关系，可结合仿真要求选择最佳speckle数值，在满足仿真精度要求的情况下，有效控制噪音量，从而生成效果更为理想的仿真SAR图像。

关键词：SAR成像方法;成像系统;仿真分析

引言

SAR成像具有全天候、可穿透性强等特点，在现代化战争中具有重要作用，在军事领域前景广阔。在科技飞速发展之下，雷达设备更加复杂，测试飞行投入的时间与资本逐渐增加，利用SAR成像系统进行仿真分析显得十分必要。对此，可结合仿真实际需求，依靠R-D改进算法与三维建模软件促进系统高效应用。

1SAR成像仿真系统结构

针对当前SAR成像中运行效率较低、计算量众多、无法满足成像仿真实时性要求的问题。本文提出一种简化的SAR仿真系统设计方法，其基本结构如下图1所示。该系统主要包括场景建模、场景控制、传感器与仿真显示四个模块，通过部分环节优化设计，忽视从散射分布图到SAR的原始回波数据处理流程。借助散射分布图直接将SAR图像映射出来，有效减少计算量，同时也使得仿真精度得到提升。

2SAR成像系统的仿真分析

在系统仿真过程中，为了正确体现场景模型的散射特点，应将三维场景与SAR传感器仿真原理相结合，由此形成SAR仿真图像。仿真过程、实现方式与关键技术如下。

2.1传感器仿真原理

雷达传感器的仿真难度相对较大，本文采用radarwork对SAR传感器进行仿真。Radarwork是在vega基础模块之外的扩展模块，以物理机制为基础进行成像仿真，可达到真实雷达设备要求，将形成的散射分布图与定义的雷达参数结合起来形成雷达图像。Radarwork提供可视化界面，可对各项参数进行设置，包括极化方式、发射频率、运动补偿、分辨率等等，使SAR传感器在多种工况下灵活运行。此外，radarwork不但具有参数设置功能，还支持在主控程序中对参数进行调节。因此，在仿真中可随时对传感器的运动参数进行获取和修正。

2.2仿真图像生成

该环节主要由系统中的显示模块来实现。当场景控制模块中生成散射分布图后，显示模块可结合场景控制模块中的参数、散射图等内容，将SAR图像在大屏幕中显示出来。为了提高图像的真实性，需要对分辨率、噪声、FFT点数等指标进行计算，具体如下。

2.2.1分辨率

该图像分辨率的计算公式可表示为：

式中，prf代表的是脉冲重复频率，单位为Hz;R代表的是目标与雷达之间的距离，单位为m;v代表的是传感器平台位移速度，单位为m/s;γ代表的是斜视角;λ代表的是电磁波长度，单位为m。

2.2.2噪声模拟

回波与发射频率之间存在一定关联，可将其称为闪烁。在SAR图像中，由一个或者多个像素体现出来，如若与其他像素相比更亮，说明存在图像噪声。究其原因，在相同频率上高反射物在其他频率上的反射相对较少，可利用多视技术对雷达频率进行修改，取均值使此类噪声降到最低。系统通过设置相同频率跳动开关的方式，对此种效果进行模拟。在开启频率跳动开关后，无需在仿真图像中加入斑点噪音;将跳动开关闭合后对斑点噪音的频率进行调整，由此控制图像噪音量，使其达到最低状态，进而对SAR图像的仿真效果进行模拟^[2]。

2.3仿真结果分析

在仿真实验环境中，PC机的配置为Intel（R）Core（TM）2，内存为1G;在软件配置方面，为vega3.7.0。本文分别在四种环境条件下开展实验，仿真实验的相关参数为：发射频率分别为a是8—12GHz，b是18-27GHz，c是8—12GHz，d是8—12GHz;极化方式为：a、b和d均为VV，c是VH;最小距离四种均为-30，频率跳变前三种为on，第四种为off;运动补偿残差方面，前三种均为“理想”;第四种为“中等误差”。四种环境下的仿真结果如下图2—5所示。

为了判断分辨率与噪音参数对成像效果产生的影响，利用结构相似度方式进行图像评价，可用以下公式表示：

式中，X与Y分别表示参与对比的两幅图像，当二者完全相同时取值为1;1（x，y）代表的是亮度方面的對比;c（x，y）代表的是对比度;s（x，y）代表的是图像结构对比;对成像效果的影响如下图6所示。根据影响曲线可知，speckle的数值与成像效果具有反比关系，可结合仿真要求选择最佳speckle数值。通过对影响曲线分析可对各项参数进行优化，从而生成效果更为理想的仿真SAR图像。

结论：综上所述，本文针对SAR成像的R-D算法进行分析，并通过仿真模拟的方式，对SAR在不同环境下的成像效果进行模拟。根据仿真结果可知，speckle的数值与成像效果具有反比关系，可在满足仿真精度要求的情况下，有效控制噪音量，从而生成效果更为理想的仿真SAR图像。在后续研究中可从扩展散射模块着手，将纹理分割规则加入其中进行深入探究。

参考文献

[1] 姜沛.两种宽带雷达的SAR成像方法及实验应用[D].国防科学技术大学，2019.

[2] 朱丰，张群，顾福飞，等.压缩感知SAR成像方法及抗相干干扰性分析[J].现代雷达，2019（8）：20-28.