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EEC的ISAR回波生成与成像仿真
收录时间:2022-11-25 23:04:10  浏览:0
第 38卷 第 10期 2016年 10月 现 代 雷 达 Modern Radar Vol 38 No 10 Oct 2016 信 考 处 理 DOI 10 16592 j cnki 1004 7859 2016 10 005 基 于 并 行PO EEC的ISAR回波生成与成像仿真 武 光 辉 童 创 明 李 西 敏 彭 鹏 1 1 空军工程大学防空反导学院 西安710051 2 国家微波毫米波重点实验室 南京210096 摘要 为了满足基于模板的逆合成孔径雷达 ISAR 目标识别对海量高分辨模板图像的工程需求 提出了一种基于并行电 磁散射特性计算技术的ISAR图像信号级仿真方法 首先 以OpenMP技术为基础采用并行物理光学和等效边缘电磁流 对目标的电磁散射特性进行快速计算 其次 以步进频率波形为雷达发射波形结合目标的电磁散射特性生成了宽带雷达 回波数据 最后 对使用距离多普勒算法对仿真回波数据进行处理生成ISAR像 并与点阵模型成像结果进行了对比分析 实现了对ISAR图像的信号级快速仿真 对ISAR系统设计与验证 ISAR图像解译和目标识别以及ISAR成像处理等具有 重要意义 关键词 回波生成 ISAR成像 物理光学法 等效电磁流 OpenMP 中图分类号 TN955 文献标志码 A 文章编号 1004 7859 2016 10 0018 05 ISAR Echo Simulation and Imaging Based on Parallel Hybrid PO EEC Method W U Guanghui1 TONG Chuangming1 2 LI Ximin1 PENG Peng1 1 Air and Missile Defense College Air Force Engineering University Xi an 710051 China 2 State Key Laboratory of Millimeter Waves Nanjing 210096 China Abstract Aiming at meeting the engineering demands for mass high resolution ISAR images by template based target recognition an efficient signal level ISAR simulation approach is proposed based on parallel computation technology of electromagnetism scatter ing The electromagnetism scattering from target is calculated by the hybrid physical optics PO and equivalent edge current EEC method which is accelerated with parallel computing technology based on OpenMP Stepped frequency wave form SWF is chosen as the radar radiation wave form With the data of electromagnetism scattering from target the wide band echo is generated in stepped frequency wave form Finally the ISAR image is obtained using the Range Doppler algorithm RDA and the differ ence from the ISAR image of scattered point model is analysed The signal level ISAR imaging fast simulation is implemented in this approach which is of important significance on the design and verification of ISAR system the ISAR image interpretation and target recognition and the image processing Key words echo simulation ISAR imaging physical optics equivalent edge current OpenMP 引 言 逆合成孔径雷达 ISAR 具有全天时 全天候 远 距离 高分辨等优点 1 ISAR通过对目标进行二维高 分辨成像 可以精确地描述目标的结构特性和散射中 心分布特性 进而提高目标的识别能力 2 对 于 ISAR 系统的研究设计的各要素而言 尤其是对于抗欺骗式 干扰而言 海量高分辨模板图像是十分重要的一部分 由于外场宽带实测数据的成本很高 3 且对于某些目 标而言是无法获得的 因此一种快速 高精度 高分辨 的 ISAR图像仿真方法不失为一种有效的途径 根据宽带回波仿真不同的应用方向 衍生出的仿 真方法也不尽相同 目前 国内外针对不同的应用方 基金项目 国家自然科学基金资助项目 61372033 航空科学 基金资助项目 2 130196005 通信作者 武光辉 Email ghwucem 163 com 收稿日期 2016 07 18 修订日期 2016 09 19 18 向发展出了多种宽带回波的仿真方法 大致可以分为 基于特征的仿真和基于信号的仿真两大类 前者通过 基于散射中心的点阵模型直接得到目标的宽带回波幅 度模型 4 后者基于目标的电磁散射特性 54 结合雷 达参数对目标的宽带回波进行仿真 不仅可以对信号 的幅度进行仿真还可以对相位进行仿真 基于电磁散 射特性的宽带回波仿真能更真实 更全面地揭示和反 映目标的电磁散射特性 以此为基础的ISAR成像能 够得到细致的目标特征 能更好地满足ISAR图像解 译和目标识别的应用需求 7 1 目标电磁散射特性的 计算方法种类繁多 在电大尺寸目标的宽带散射特性 预估方向 工程上常用的方法有几何光学法 GO 物 理光学法 PO 一致性绕射理论 UTD 射线弹跳法 SBR 考虑到需要对速度和精度的折中 文中选用 等 效 边缘电磁流 EEC 修 正 的 PO 方法 11 并使 用基于OpenMP的并行技术加速计算过程 就现有成 信号处理 武光辉 等 基于并行PO EEC的ISAR回波生成与成像仿真2016 38 10 像雷达而言 常用的雷达波形有步进频率波形和 chirp波形 12 其中大多数选用的是步进频率波形 本文生成的雷达回波也采用该波形 对于步进频波 形的回波而言 进行采样 插值然后采用基于傅里叶 变换的距离多普勒算法 RDA 进行成像处理 具有 简单高效的特点 本文提出了一种基于电磁散射理论和步进频率雷 达波形的信号级ISAR成像仿真方法 通过对目标雷 达间相对位置的解算 采用基于OpenMP并行加速的 PO EEC混合算法 结合步进频率雷达波形对目标的 宽带雷达回波进行了仿真 使用RDA算法实现了对高 分辨ISAR像的信号级仿真 满足了基于模板的ISAR 目标识别对海量高分辨模板图像的工程需求 1 2 1 2 EEC方 法 计 算 目 标 的 棱 边 绕 射 场方 法 计 算 目 标 的 棱 边 绕 射 场 在高频电磁计算中 物理光学法只考虑目标表面 反射的情况 无法计及计算目标棱边绕射对散射场的 贡献 采用E E C计算边缘绕射场可以很好地对P O方 法的计算结果进行修正 并且避免了一致绕射理论 UTD 和几何绕射理论 GTD 中的散焦区场问题 13 E E C方法通过计算目标棱边上的等效电流 6 和 等效磁流 m 来对棱边的绕射场进行修正 五五EEC j m m x Z0 A x s x x exp jA r kl ks dl 4 式中为沿边缘方向的单位矢量 1并行PO EEC计算目标电磁散射特性 P0 方法是工程上常用的电大目标电磁散射特性 预估方法 能够很好地解决高频率 宽频带 电大尺寸 的问题 11 此外 通 过 EEC方法能够很好的弥补物 理光学无法计算复杂目标棱边绕射的问题 采用物理 光学法和等效电磁流法能够使得目标后向散射特性的 计算既具有可观的精度 又具有可实施性 1 1 P0方 法 计 算 目 标 的 后 向 散 射 场方 法 计 算 目 标 的 后 向 散 射 场 物理光学法通过对表面场的近似和积分来求解目 标散射场 其算法的核心就是将目标米用平面面兀分 解 将整个目标物体的外壳结构用许多平面单元来拟 合而整个散射场的值就是每个面元散射场值的总和 根据Stmtton C ki散射场积分方程表达式我们可以得 出表面散射场为 Es w x E Z0ksx nx H x exp jkr kl ks d5 1 5 1 式中4 为 自 由 空 间 波 常 数 为 观 察 点 到 目 标 的 距 离 分别为散射方向和入射波方向的单位矢量 分别为目标表面的电场和磁场 Z 为***空间的 波阻抗 目标为导体时 由边界条件得到 n x E 0 2 m x H 2 n x 由 P 方法得到的散射场表达式为 F j Z exP j伙 r Lr L H 1 五P0 五P0 2ttR J s X X x x exp kr kl A s d5 3 式中 S 为入射波束照射部分 采用Z buffer算法得到 上式中的积分采用Gordon积分进行求解 7 7 2 t E j D e e kZ0sin2 3i 2Z0 f H l Pm m J Mn 5 6 式中 A 为 电 磁 波 入 射 方 向 与 棱 边 的 夹 角 为 物 理绕射系数 1 3 基 于1 3 基 于OpenMP的并行实现的并行实现 对于真实的电大复杂目标而言 即 使 采 用 P0 EEC方法计算其电磁散射特性 目标模型剖分得到的 三角面元数量可能达到百万级或更高 所需计算量仍 然 很 大 计 算 效 率 难 以 满 足 工 程 需 求 采用基于 OpenMP的并行技术 可以充分利用现有的计算性能 提局程序的运打效率 OpenMP采用分 合的并行执行模式 并行模式执 行的基本思想是 程序开始时只有一个主线程 程序中 的串行部分都由主线程执行 并行部分通过主线程派 生其他线程来执行 在并行部分结束前是不能执行串 行部分的 并行PO EEC算法通过主线程完成消隐工 作 然后各个派生线程共同完成被电磁波直接照亮面 元和棱边的积分计算工作 工作过程如图1 所示 图1 PO EEC算法的并行实现流程 1 4 1 4 PO EEC方 法 计 算 结 果 的 后 处 理方 法 计 算 结 果 的 后 处 理 整个目标的后向散射场为 五 to ta l 五 P 0 五 E E C V 19 2016 38 10 现 代 雷 达 0 50 100 150 200 250 300 350 0 图2立方体10 GHz VV极化条件下PO EEC与 MLFMM算法对比 2 ISAR回波模型与成像处理 2 1 目标姿态计算2 1 目标姿态计算 如图3 所示 点 0 为雷达所在位置 目标的质心 位置位于 以 T点所在位置为***建立目标本地坐 标系 y轴以目标运动方向为正 Z轴方向以垂直 于y轴向上为正 轴与y轴z轴形成右手系P 雷达在 该 坐 标 轴 下 的 坐 标 为 c 为载频 A 为两个子 脉冲之间的频率差 为脉冲重复间隔 T 为脉冲持 续时间 14 目标相对于雷达的运动可以分为两部分 瞬时斜 距 0 决定的平动 0 外 0 共同决定的转动a 所以雷达的ISAR回波信号可以表示为 Sr 0 2 rn t 14 n 0 rn t 6 t p t X t T l T pY d T exp j 27r c nAf t 2RT t recti 为目标相对于雷达视线 LOS 的俯仰角 定义 为 L0S 与轴正方向的夹角 即 T e2 z arccos arccos 丨 o r 丨 丨 丨 i V x y z 10 外为真实目标相对于l o s的方位角 定义为LOS 与 轴正方向的夹角 即 15 式 中 为 寸 刻 目 标 与 雷 达 的 距 离 心 外 0 为t时刻目标对雷达脉冲的调制系数 0 外 分别为 时刻雷达观测目标的高低角和方位角 2 3 2 3 ISAR成像处理成像处理 ISAR成像的基本原理是对运动目标在距离多普 勒域成像 常用的算法有基于傅里叶变换的和基于时 频分析的成像算法 15 对步进频波形通常采用基于 傅里叶变换的距离多普勒算法 RDA 进行成像处理 具有简单高效的特点 采用以上算法得到ISAR回 波 通过采样可以得到频率角度域的极坐标复数据矩 阵 办 令 通过二维插值可以得到空间频率域的 直 角 坐 标 复 数 据 矩 阵 最后 通过RDA算 法即可得到目标的ISAR像 实际中 为了改进图像 质量还要对数据进行一些与处理 主要包括补零可加 窗 并且通过在插值过程中通过提高采样率可以对 ISAR像有平滑效果 ISAR回波生成与成像的具体流 定义目标对电磁场的调制系数M为 total P E i P B cpT arccos T ex A OTW e arccos 2 2 A W ID 20 信号处理 武光辉 等 基于并行PO EEC的ISAR回波生成与成像仿真2016 38 10 程如图4 所示 图4 ISAR回波生成与成像流程 3仿真结果与分析 如图5 所示 以 F 117飞机作为仿真目标模型 分别建立相应的全尺寸电磁散射模型和全尺寸点阵模 型 其中 翼 展 13 m 全 长 20 m 机 高 7 8 m 仿真参 数设置如表1 所示 a 电电磁散射3D模型 b 3D点阵模型 图5电磁散射3D模型和点阵模型示意图 表 1仿真参数设置表 1仿真参数设置 参数参数值参数参数值 脉冲重复频率 Hz500 目标运动速度 m S 1 100 中心频率 GHz3观测时间 s2 带宽 MHz300零时刻目标位置 km 0 3 46 2 为了反映目标不同运动姿态下的电磁散射模型 的 ISAR成像和点阵模型的ISAR成像之间的差异 分别对目标在不同姿态下的运动进行仿真 图 6a 为通过建立全尺寸3D 模型并结合并行PO EEC方 法计算目标宽带电磁散射特性 然后生成的SFW回 波 使 用 RDA算法得到的ISAR像 图 6b 为采用传 统方法对点阵模型进行回波生成并结合RDA模型 所 成 的 ISAR像 此时两种目标模型均沿垂直于 LOS方向勻速运动 雷达观测目标的高低角约30 通过比较图6a 图 6b 中标注出的I II III处可以 发现两种模型得到的ISAR像具有很大的差异性 图 6a 中的I 处 尾翼部分 和 II处 左侧机翼 的差 异是由于目标姿态变化导致的飞机各个部件之间的 遮挡效应导致的 图 6b 中则无法表现出这种差异e 图 6b 中 的 III处 右侧机翼翼面 出现较为明显的 镂空现象 这是由于点阵模型本身就是对目标轮廓 的一种采样 无法真实表达目标的几何信息导致的 相比而言 精确3D 模型的图6a 中 III处能更逼真地 反虛目标的ISAR成像结果 b 点阵模型成像 图6两种模型成像结果 图7 中是对目标另外一种姿态进行仿真的成像结 果 此时两种目标模型均沿与LOS夹 角 120 方向勻速 运动 雷达起始时刻观测目标的高低角约30 通过 比较可以发现 由于遮挡原因在V I处 尾翼部分 图 7a 图7b 的成像结果也不相同Q 图7a 图7b 中 V 处产生差异的原因与图6a 图 6b 中 II处产生差异 的原因都是由于点阵模型无法完整表示目标的几何信 息 图7a 图7b 中 VI处 驾驶舱部分 的差异一方 面由点阵模型表达目标几何信息不完整导致 另一方 面由于计算电磁学方法得到的目标散射特性成像聚焦 导致的 就整体而言 采用电磁散射模型计算目标电 磁散射特性 并生成回波进行ISAR成像所得到的成 像结果更有立体感 更为真实 图7两种模型成像结果 4结束语 本文针对使用点阵目标模型进行ISAR回波信 号模拟和成像的劣势和不足 采用基于并行PO EEC 的电磁散射模型进行回波生成和ISAR成像仿真 该方法能够更好地反映目标的结构特征 包括典型 21 2016 38 10 现 代 雷 达 部件在不同姿态下的散射中心分布差异以及目标不 同结构之间的遮挡效应 多次散射等特性 得到的 ISAR像更有立体感 更为真实 使用电磁散射模型 来满足基于模板的ISA R目标识别对海量高分辨模 板图像的工程需求 对于提升对抗ISAR欺骗式干扰 的能力具有积极意义 参 考 文 献参 考 文 献 1 张宏伟 俞一静 何 芳 基于散射点模型的ISAR干扰 技术研究 J 现代雷达 2014 36 4 85 88 ZHANG Hongwei YU Yijing HE Fang A study on ISAR jamming technology based on scattering point model J Modem Radar 2014 36 4 85 88 2 李 源 逆合成孔径雷达理论与对抗 M 北京 国防 工业出版社 2013 LI Yuan The theory of inverse synthetic aperture radar and confrontation M Beijing National Defense Industry Press 2013 3 祝明波 皱建武 董 巍 等 弹载合成孔径雷达动态 海面成像模拟研究 J 电波科学学报 2012 27 3 592 597 ZHU Mingbo ZOU Jianwu DONG Wei et al Imaging simulation of dynamic sea surface with missile borne SAR J Chinese Journal of Radio Science 2012 27 3 592 597 4 莫翠琼 刘文术 陈秋菊 基于散射中心模型的ISAR回 波仿真方法 J 航天电子对抗 2008 24 4 62 64 MO Cuiqiong Liu Wenshu Chen Qiuju ISAR echo simu lation method based on scattering center model J Aero space Electronic Warfare 2008 24 4 62 64 5 胡明春 雷达目标电磁散射特性仿真与测量 J 现代 雷达 2012 34 10 1 5 HU Mingchun Simulation and Measurement of radar target electromagnetic scattering J Modern Radar 2012 34 10 1 5 6 宁 超 耿旭朴 王 超 等 高速运动目标宽带雷达 回波频域模拟及分析 J 雷达学报 2014 3 2 142 149 NING Chao GENG Xupu WANG Chao et al Wideband radar echo frequency domain simulation and analysis for high speed moving targets J Journal of Radars 2014 3 2 142 149 7 马 超 许小剑 空间进动目标的宽带雷达特征信号研 究 J 电子学报 2011 39 3 636 642 MA Chao XU Xiaojian Modeling of wideband radar signa 22 ture for precession space objects J Acta Electronica Sini ca 2011 39 3 636 642 8 姚汉英 李星星 孙文峰 等 基于电磁散射数据的弹 道目标宽带回波仿真 J 系统仿真学报 2013 25 4 599 611 YAO Hanying LI Xingxing SUN Wenfeng et al Wide band echo simulation of ballistic targets based on electromag netic scattering data J Journal of System Simulation 2013 25 4 599 611 9 RICHARDS M A Fundamentals of radar signal processing M New York McGraw Hill Companies 2008 10 LIU Y XING M D SUN G C et al Echo model analyses and imaging algorithm for high resolution SAR on high speed platform J IEEE Transactions on Geosciences and Remote Sensing 2012 50 3 933 950 11 BAUSSSARD A ROCHDI M KHENCHAF A PO MEC based scattering model for co
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