張?jiān)骆?①②④ 丁赤飚①③ 王宏琦①② 胡東輝①②

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分析圓柱油罐目標(biāo)合成孔徑雷達(dá)圖像的新方法

張?jiān)骆枚〕囔鹾赙鷸|輝

(中國科學(xué)院電子學(xué)研究所 北京 100190)(中國科學(xué)院空間信息處理與應(yīng)用系統(tǒng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190)(微波成像技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190)(中國科學(xué)院研究生院 北京 100190)

該文提出了一種針對(duì)油罐目標(biāo)的合成孔徑雷達(dá)(SAR)圖像的分析方法。該方法根據(jù)圓柱油罐具有圓型邊緣和圓柱型外形的幾何特點(diǎn)，利用物理光學(xué)法(Physical Optics, PO)和增量繞射長(zhǎng)度(Incremental Length Diffraction Coefficients, ILDC)理論建立了油罐目標(biāo)的散射模型，并基于該模型推導(dǎo)了圓柱油罐的散射中心分布特征，同時(shí)引入投影映射算法(Mapping and Projection Algorithm, MPA)建立了成像模型，有效利用了單一視角的散射數(shù)據(jù)進(jìn)行SAR圖像模擬，仿真結(jié)果與實(shí)際SAR圖像散射特征吻合，驗(yàn)證了方法的有效性。同時(shí)，利用45組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得到了SAR圖像散射中心的特征，并根據(jù)建立的散射模型和成像模型，分析和總結(jié)了油罐目標(biāo)SAR圖像的主要散射特征，為SAR圖像中基于油罐目標(biāo)的識(shí)別領(lǐng)域提供了理論依據(jù)。

油罐；SAR圖像；SAR圖像仿真；散射中心；散射特征

1 引言

油罐目標(biāo)的SAR圖像和它的光學(xué)圖像有較大的區(qū)別，光學(xué)圖像中油罐目標(biāo)有規(guī)則的圓周外形，而在雷達(dá)圖像中油罐的圓周輪廓斷斷續(xù)續(xù)，并且，油罐目標(biāo)的散射中心的分布與油罐的幾何形狀存在著較大的差別。

然而，目前雷達(dá)圖像油罐目標(biāo)的自動(dòng)識(shí)別多數(shù)是采用同光學(xué)圖像相同的識(shí)別方法，利用油罐目標(biāo)的橢圓幾何特征進(jìn)行識(shí)別，該方法虛警率較高。油罐目標(biāo)的有效識(shí)別的基礎(chǔ)是針對(duì)油罐目標(biāo)SAR圖像中主要特征的散射機(jī)理的有效分析，而SAR圖像仿真是對(duì)圖像理解的有效途徑。目前，盡管SAR圖像仿真方法眾多，但針對(duì)仿真圖像開展目標(biāo)特征分析的相關(guān)文獻(xiàn)很少。針對(duì)油罐目標(biāo)而言，需要一種根據(jù)油罐目標(biāo)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)建立的SAR圖像特征分析方法以理解油罐目標(biāo)的SAR圖像特征，為后續(xù)的油罐目標(biāo)識(shí)別和信息提取提供依據(jù)。本文針對(duì)這個(gè)問題提出了一種分析油罐目標(biāo)SAR圖像的方法，通過該方法對(duì)油罐目標(biāo)的散射特征以及罐頂圓周的散射中心分布進(jìn)行了研究。

本文根據(jù)圓柱油罐的圓周邊緣和圓柱外形的幾何特點(diǎn)，利用物理光學(xué)法(Physical Optics, PO)和增量繞射長(zhǎng)度理論(Incremental Length Diffraction Coefficients, ILDC)建立了油罐目標(biāo)的近似電磁散射模型，在該散射模型建立的基礎(chǔ)上，引入了映射投影(Mapping and Projection Algorithm, MPA)的SAR成像仿真方法完成了針對(duì)油罐目標(biāo)的SAR圖像仿真，同時(shí)，利用得到的仿真SAR圖像與實(shí)際數(shù)據(jù)比對(duì)，結(jié)合散射模型的構(gòu)建過程分析和歸納了油罐目標(biāo)SAR圖像的主要特征，解釋了油罐目標(biāo)SAR圖像中的顯著細(xì)節(jié)的產(chǎn)生過程，指明了主要特征對(duì)應(yīng)的散射機(jī)理，為油罐目標(biāo)的識(shí)別和信息提取提供了理論的依據(jù)。

本文第2節(jié)給出了針對(duì)油罐目標(biāo)的SAR圖像仿真方法，包括成像模型、散射模型的分析及具體實(shí)現(xiàn)的主要步驟；在此基礎(chǔ)上，第3節(jié)計(jì)算和仿真了圓柱型油罐的SAR圖像，結(jié)合實(shí)際數(shù)據(jù)驗(yàn)證了仿真圖像的有效性，同時(shí)針對(duì)散射模型分析和解釋了油罐目標(biāo)的主要特征；最后，第4節(jié)給出了本文研究的結(jié)論。

2 圓柱油罐目標(biāo)SAR圖像仿真方法

本節(jié)依次給出了油罐目標(biāo)的成像模型，散射模型和SAR圖像仿真的主要步驟。

2.1 基于MPA的SAR成像模型

2006年，F(xiàn)eng Xu等在文獻(xiàn)[3]中提出了一種基于映射投影(MPA)的復(fù)雜地面場(chǎng)景極化SAR成像模擬算法，該算法采用了根據(jù)分辨率劃分網(wǎng)格的思路將目標(biāo)分解為若干散射單元，有效實(shí)現(xiàn)了植被場(chǎng)景和建筑物場(chǎng)景的SAR圖像模擬，該算法利用單角度的散射數(shù)據(jù)模擬SAR圖像，避免了傳統(tǒng)方法的2維散射數(shù)據(jù)的計(jì)算，節(jié)省了計(jì)算量。

MPA算法的計(jì)算過程如下：在成像模擬中把整個(gè)場(chǎng)景沿方位向的每個(gè)像素間隔劃分為行，對(duì)每一行獨(dú)立計(jì)算散射系數(shù)，最后獲得整個(gè)場(chǎng)景的散射系數(shù)圖，然后與雷達(dá)系統(tǒng)沖激響應(yīng)2維卷積獲得SAR圖像。在具體的實(shí)現(xiàn)中，該算法將劃分成網(wǎng)格的各個(gè)區(qū)域內(nèi)的散射場(chǎng)強(qiáng)投影到斜距平面，再經(jīng)過累加得到每個(gè)像素內(nèi)的散射強(qiáng)度值。文獻(xiàn)[3]中對(duì)自然目標(biāo)和規(guī)則建筑物目標(biāo)進(jìn)行仿真，取得了很好的效果。

根據(jù)MPA算法，散射場(chǎng)的計(jì)算由下式得到

油罐目標(biāo)在雷達(dá)圖像中多為規(guī)則排列的油罐組，對(duì)于一個(gè)油庫基地而言，在雷達(dá)圖像中，它不同于大場(chǎng)景的自然目標(biāo)，在油罐目標(biāo)的成像區(qū)域，雷達(dá)聚焦深度變化微小，本文針對(duì)這個(gè)特點(diǎn)，將相同距離向弧線的疊加近似為直線疊加，并通過建立兩個(gè)坐標(biāo)系實(shí)現(xiàn)散射系數(shù)的斜距累加，簡(jiǎn)化了成像模型。

考察場(chǎng)景目標(biāo)尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于景中心斜距的條件下，雷達(dá)波束到達(dá)目標(biāo)不同處的局部入射角近似相同，在這種近似條件下，相應(yīng)的散射場(chǎng)系數(shù)的斜距分布函數(shù)滿足下面的等式：

圖1 場(chǎng)景坐標(biāo)系和成像坐標(biāo)系

(3)

得到散射矩陣之后，SAR圖像可以通過SAR景中心點(diǎn)目標(biāo)響應(yīng)和散射矩陣的2維卷積獲得：

景中心點(diǎn)目標(biāo)響應(yīng)的計(jì)算方法詳見文獻(xiàn)[5]。

2.2 圓柱型油罐散射模型

油罐按建造材料分為金屬油罐和非金屬油罐，按照形狀分為立式油罐和臥式油罐，本文主要研究臥式油罐，臥式油罐是由圓筒型的油罐壁和罐頂組成的油罐，如圖2所示。

為了建立油罐目標(biāo)的散射模型，本文針對(duì)主要散射結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。如圖2所示，在油罐目標(biāo)與電磁波相互作用時(shí)，對(duì)散射場(chǎng)起主要貢獻(xiàn)的結(jié)構(gòu)為：油罐側(cè)壁以及罐頂部圓周外緣，圓周內(nèi)緣，罐底圓周。

首先分析油罐壁的散射，通常，罐頂內(nèi)圓周結(jié)構(gòu)低于外圓周，即：低于，因此油罐外壁和部分油罐內(nèi)壁產(chǎn)生散射。被照射的油罐內(nèi)壁貢獻(xiàn)較小，近似用拋物面形(平面與柱面的交線)內(nèi)壁的散射代替油罐內(nèi)壁的散射。

圖2 幾何關(guān)系圖

(6)

(8)

將式(8)代入式(5)，有：

其中，

(11)

根據(jù)駐定相位原理(Principle of Stationary Phase, POSP)，求得：駐相點(diǎn)。

求得散射場(chǎng)為：

(13)

觀察式(13)和式(14)，可以得到以下的散射模型：

物理光學(xué)法近似下非金屬油罐和金屬油罐的散射特點(diǎn)是相似的，油罐外壁會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)位于圖2中點(diǎn)和點(diǎn)的散射中心，坐標(biāo)分別為：，內(nèi)壁局部的散射會(huì)產(chǎn)生一個(gè)位于的散射中心，且散射強(qiáng)度小。

以上的計(jì)算過程直接建立了油罐壁的散射模型，接下來考慮油罐主要圓周結(jié)構(gòu)的散射模型。

油罐目標(biāo)主要包含3段主要的圓周邊緣，如前文所述。本文對(duì)這些圓周邊緣進(jìn)行線元建模，應(yīng)用Incremental Length Diffraction Coefficients，即：ILDC理論，計(jì)算它們的散射。在后向散射的情況下，應(yīng)用ILDC理論推導(dǎo)出每個(gè)線元的散射場(chǎng)為：

2.3 SAR圖像仿真的流程

根據(jù)前兩節(jié)的分析，在SAR圖像模擬前首先設(shè)置雷達(dá)工作參數(shù)和載入油罐模型；主要的參數(shù)包括：雷達(dá)工作頻率，方位角，入射角，成像分辨率以及油罐的幾何參數(shù)和介電常數(shù)。油罐模型可以用這樣的方法建立：油罐頂部?jī)?nèi)外圓周棱邊和底部被照射棱邊分成個(gè)線元，根據(jù)彈射線理論射線密度大小，線元長(zhǎng)度為數(shù)量級(jí)，每個(gè)線元對(duì)應(yīng)一組向量，該向量記錄線元起點(diǎn)終點(diǎn)坐標(biāo)，線元所屬平面法向量等信息。首先根據(jù)雷達(dá)參數(shù)計(jì)算景中心點(diǎn)目標(biāo)響應(yīng)，接著計(jì)算場(chǎng)景坐標(biāo)系到成像坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換矩陣。之后，建立散射矩陣，根據(jù)前文建立的散射模型和散射計(jì)算方法計(jì)算線元的散射和罐壁的散射，根據(jù)計(jì)算得到的散射場(chǎng)矢量更新散射矩陣，直到所有線元計(jì)算完成。在獲得散射矩陣之后，根據(jù)地距斜距關(guān)系進(jìn)行幾何校正，最后輸出油罐目標(biāo)的仿真SAR圖像。

以上建立的仿真油罐目標(biāo)SAR圖像的算法的具體步驟如下：

(1) 設(shè)置雷達(dá)參數(shù)，建立油罐模型；

(2) 建立場(chǎng)景坐標(biāo)系和成像坐標(biāo)系，計(jì)算景中心點(diǎn)目標(biāo)響應(yīng)和坐標(biāo)變換矩陣；

(3) 讀取下一個(gè)圓周緣結(jié)構(gòu)線元參數(shù)；

(4) 重復(fù)(3)直到所有線元計(jì)算完畢；

(7) 幾何校正，獲取模擬油罐圖像。

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果和散射特征分析

本節(jié)給出了混凝土油罐實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果，同時(shí)與相應(yīng)參數(shù)的機(jī)載雷達(dá)圖像進(jìn)行了對(duì)比，并針對(duì)45組實(shí)際SAR圖像進(jìn)行了散射特征的分析。

實(shí)驗(yàn)選擇混凝土油罐目標(biāo)的幾何尺寸為：高17 m，半徑：40.5 m；如圖2所示。雷達(dá)工作頻率L波段，電場(chǎng)為水平極化。主要參數(shù)見表1。

表1 雷達(dá)參數(shù)

參數(shù)數(shù)值 飛行高度5000 m 分辨率5 m×5 m 工作頻率1.2 GHz 飛行速度150 m 過采樣率1.2 波束入射角36°

下面分析和討論主要的數(shù)值計(jì)算結(jié)果。

(1) 景中心點(diǎn)目標(biāo)響應(yīng)。

表2 點(diǎn)目標(biāo)指標(biāo)

指標(biāo)距離向方位向 分辨率(m)55 擴(kuò)展比0.906 0.907 峰值旁瓣比(dB)-13.496-13.375 積分旁瓣比(dB)-10.821 -9.329

(3) 圓周緣結(jié)構(gòu)的散射。

圖4為罐頂面圓周緣散射強(qiáng)度幅值的變化曲線，虛線表示外圓周散射強(qiáng)度隨位置的變化，實(shí)線表示內(nèi)外圓周散射疊加后的散射強(qiáng)度。從圖4中可以看到以下幾個(gè)特征：

(a) 外圓周緣的散射主要出現(xiàn)了5個(gè)峰值。

(b) 圓周緣散射場(chǎng)出現(xiàn)了閃爍現(xiàn)象。散射強(qiáng)度的波瓣寬度小于0.1度，與實(shí)際SAR圖像中邊緣斷斷續(xù)續(xù)的特征吻合。

(c) 距離電磁波照射的最近點(diǎn)和最遠(yuǎn)點(diǎn)的周圍散射強(qiáng)度較大，兩個(gè)點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)圖2中,兩點(diǎn)。

(4) 仿真SAR圖像。

圖5為仿真得到的油罐目標(biāo)的SAR圖像，圖6是基于仿真圖像散射中心的分析示意圖。圖6示意了仿真圖像中的散射中心位置。觀察圖5和圖6，油罐目標(biāo)的散射特征主要有：

(a) 在罐頂圓周圓心位置所處的方位向，3個(gè)“月牙”型散射中心沿距離向一字分布，結(jié)合數(shù)值計(jì)算結(jié)果，“月牙”中心分別對(duì)應(yīng)圖2中,,3點(diǎn)。3個(gè)強(qiáng)散射中心沿距離向排列，由近距到遠(yuǎn)距分別對(duì)應(yīng)圖2的,,3點(diǎn)，而圖2中對(duì)應(yīng)的,,,點(diǎn)處并沒有形成較強(qiáng)的散射中心。

(b) 罐頂圓周不連續(xù)。

實(shí)驗(yàn)將3個(gè)散射中心所處的方位向剖面進(jìn)行8倍sinc插值，并與實(shí)際信號(hào)的平均值(實(shí)驗(yàn)選取了45組油罐SAR圖像)進(jìn)行了對(duì)比，如圖7所示。圖7中兩條曲線的主要峰值基本吻合，驗(yàn)證了本文方法的有效性。

(5) 實(shí)際SAR圖像的散射中心的提取。

實(shí)驗(yàn)選取了45組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得到的SAR圖像，利用文獻(xiàn)[9]的方法提取了罐頂圓周緣的散射中心，并計(jì)算了每個(gè)散射中心與圓心形成向量的幅角，利用輻角信息進(jìn)行了分析，以10°為一個(gè)區(qū)間統(tǒng)計(jì)了各區(qū)間內(nèi)的散射中心的位置分布信息，表3給出了包含散射中心數(shù)目最多的5個(gè)角度區(qū)間的計(jì)算結(jié)果。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，散射中心集中輻角為40°～50°，-50°～-40°，100°～110°，-110°～-100° 4個(gè)角度區(qū)間內(nèi)，相應(yīng)區(qū)間內(nèi)計(jì)算得到的4個(gè)均值量與圖4的數(shù)值計(jì)算顯示的峰值位置基本吻合。

圖3 散射強(qiáng)度隨角度變化曲線

圖4 罐頂散射場(chǎng)變化曲線

圖5 仿真油罐SAR圖像

圖6 散射中心分析示意圖

圖7 罐頂中心所處方位向剖面的像素對(duì)比

表3實(shí)際SAR圖像罐頂散射中心分布

角度區(qū)間(°)存在散射中心的油罐目標(biāo)數(shù)散射中心角度均值(°)散射中心角度方差 [-40, -50)23-46.922.45 [100, 110)20106.3510.66 [40, 50)1946.6314.91 [-110, -100)18-105.1718.38 [70, 80)971.114.86 [-120, -110)6-116.525.1

4 結(jié)束語

本文提出了一種分析圓柱油罐目標(biāo)合成孔徑雷達(dá)圖像的新方法，該方法根據(jù)油罐目標(biāo)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)建立了散射模型和成像模型，并據(jù)此給出了圓柱型油罐目標(biāo)的SAR圖像的仿真方法。實(shí)驗(yàn)表明，仿真SAR圖像與實(shí)際雷達(dá)圖像的特性吻合，驗(yàn)證了模型的有效性。同時(shí)，根據(jù)建立的散射模型和成像模型，分析和總結(jié)了油罐目標(biāo)SAR圖像的主要散射特征，指明了各個(gè)主要特征對(duì)應(yīng)的電磁散射機(jī)制。

本文方法為SAR圖像中油罐目標(biāo)特性的提取工作提供了一種有效的研究途徑，同時(shí)，文中得到的油罐目標(biāo)的主要散射特征為油罐目標(biāo)的信息提取提供了理論依據(jù)。此外，該方法的研究思路：根據(jù)目標(biāo)的幾何特點(diǎn)建立散射模型以分析其SAR圖像主要特征的散射機(jī)理，也可以用于其它人工目標(biāo)的SAR圖像理解工作中。

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A New Algorithm for Analyzing the SAR Image of the Cylindrical Oil Tank

Zhang Yue-tingDing Chi-biaoWang Hong-qiHu Dong-hui

(Institute of Electronics Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)(Key Laboratory of Spatial Information Processing and Application System Technology, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)(The National Key Laboratory of Microwave Imaging Technology, Beijing 100190, China)(Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

In this paper, a new approach for the understanding of the SAR image of the cylinder oil tank is presented. In the approach, the Physical Optics (PO) and the theory of Incremental Length Diffraction Coefficients (ILDC) are employed to set up the scattering model of the oil tank according to the circle edges and cylinder geometry futures, and the position of the main scattering centers are deduced. The SAR image of the tank is simulated through the scattering model and the imaging model based on Mapping and Projection Algorithm (MPA). The real SAR data and the simulation test the validity of the approach. Furthermore, the scattering centers are detected with 45 groups of the measured data. According the scattering model and the imaging model in the approach proposed, the main scattering characteristics of the cylindrical oil tank are interpreted and summarized. It is hoped that the work in this paper could provide some useful guidelines for the identification of the oil tank in the SAR images.

Oil tank; SAR image; SAR image simulation; Scattering center; Scattering characteristics

TN959

A

2095-283X(2012)02-0190-06

10.3724/SP.J.1300.2012.20020

2012-03-29收到，2012-06-07改回；2012-06-13網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版

國家自然科學(xué)基金(40871209)資助課題

張?jiān)骆?zhangyueting06@mails.gucas.ac.cn

張?jiān)骆?1983-)，女，中國科學(xué)院電子學(xué)研究所在讀博士生，主要從事SAR圖像仿真和SAR圖像理解領(lǐng)域的研究。

丁赤飚(1969-)，男，研究員，博士生導(dǎo)師，現(xiàn)任中國科學(xué)院電子學(xué)研究所副所長(zhǎng)，主要從事合成孔徑雷達(dá)、遙感信息處理和應(yīng)用系統(tǒng)等領(lǐng)域的研究工作，先后主持多項(xiàng)國家863重點(diǎn)項(xiàng)目和國家級(jí)遙感衛(wèi)星地面系統(tǒng)工程建設(shè)項(xiàng)目，曾獲國家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)、二等獎(jiǎng)各一項(xiàng)。

王宏琦(1964-)，男，研究員，博士生導(dǎo)師，長(zhǎng)期從事信息處理及相關(guān)技術(shù)的科研工作，曾經(jīng)參與的研究工作主要涉及地下探測(cè)雷達(dá)、遙感圖像典型目標(biāo)探測(cè)技術(shù)和遙感數(shù)據(jù)地面處理系統(tǒng)等方面。目前研究領(lǐng)域主要為遙感圖像處理及目標(biāo)識(shí)別。

胡東輝(1970-)，男，副研究員，主要從事合成孔徑雷達(dá)成像處理領(lǐng)域的研究。