彭馨儀 陳 東 曾小東

（1.中國電子科技集團公司第十研究所 成都 610036）

（2.陸軍裝備部航空軍事代表局駐成都地區(qū)航空軍事代表室 成都 610036）

1 引言

目前國內外已對SAR回波模擬技術、SAR仿真技術進行了一些研究［1～5］。意大利 Franceschetti研究了一種基于實際地面目標散射特性的原始數(shù)據(jù)模擬方法（即分布目標模型模擬方法），通過對觀測區(qū)域的地面微波散射特性數(shù)據(jù)以及地面數(shù)字高程模型進行建模來得到回波數(shù)據(jù)［6］。國內研究人員提出了一種SAR回波信號模擬平臺的系統(tǒng)結構，利用原始DEM數(shù)據(jù)構建了隨機地表模型的電磁散射單元模型，由雷達電磁散射機理建立了自然地表目標的回波信號數(shù)學模型，完成SAR回波信號仿真平臺的設計［7］。此外，國內研究人員還提出一種基于復雜目標三維模型運用物理光學（PO）法與增量長度繞射系數(shù)（ILDC）法結合的改進圖形電磁算法快速計算目標雷達散射截面［8］。然而，上述研究提出的SAR雷達仿真方法往往只單獨考慮SAR回波生成，未對SAR雷達系統(tǒng)在平臺運動過程中的實時參數(shù)對回波生成過程的影響過程進行充分考慮，生成的回波往往不具有通用性。

為此，本文提出一種基于SAR雷達實時仿真平臺的SAR回波生成系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于雷達成像特性來生成雷達平臺的運動軌跡，并根據(jù)待成像區(qū)域的目標、環(huán)境特性對待成像區(qū)域進行三維建模，然后利用SAR實時仿真平臺得到SAR雷達實時電磁信息發(fā)射參數(shù)，將上述過程得到的雷達平臺運動特性、目標及環(huán)境特性引入到SAR回波電磁特性生成，最后將生成的回波數(shù)據(jù)接入SAR雷達參數(shù)實時仿真中來實現(xiàn)成像區(qū)域的SAR成像。結果顯示本文提出的SAR回波生成系統(tǒng)具有良好性能。

2 環(huán)境建模

2.1 平臺航路生成

平臺航路生成主要根據(jù)待成像的區(qū)域和成像距離，對平臺航路進行規(guī)劃，并利用STK軟件根據(jù)規(guī)劃的航路生成平臺航跡數(shù)據(jù)。根據(jù)想定確定成像區(qū)域，利用STK應用程序創(chuàng)建場景，對于聚束SAR，通過加載配置文件得到的成像中心位置，并在三維地圖上編輯平臺的飛行軌跡，平臺位置與成像中心位置的最大距離為想定成像中心斜距，平臺飛行軌跡如圖1所示，平臺保持該軌跡飛行的最短時間為

其中，R為成像斜距，λ為雷達波長，v為平臺速度，δ為雷達距離分辨率，θ為波束側視角度。

圖1 SAR飛行軌跡規(guī)劃示意圖

2.2 目標、環(huán)境建模

目標建模：根據(jù)待成像區(qū)域的地圖場景確定需進行建模的目標（如房屋、飛機、橋梁、塔臺等），采用三維建模軟件（如UG、3D SMax、犀牛軟件等）對場景中的目標進行（Computer Aided Design）幾何建模。如圖2所示。

圖2 目標建模過程

三維場景建模：根據(jù)想定，在三維建模軟件中導入想定對應的地圖衛(wèi)片數(shù)據(jù)，根據(jù)地圖衛(wèi)片在對應的位置擺放建好的目標模型，并對各不同地形地貌進行材質覆蓋。

3 SAR雷達實時仿真平臺

SAR雷達實時仿真平臺生成主要實現(xiàn)仿真控制管理、系統(tǒng)時鐘同步，并完成人機操作指令轉換、仿真系統(tǒng)節(jié)點狀態(tài)監(jiān)控，及數(shù)據(jù)通信及管理，同時調用雷達模型進行計算并管理模型的輸入輸出，對成像結果進行顯示。仿真界面如圖3所示。

圖3 SAR雷達實時仿真平臺界面

本文主要對雷達模型進行關注，雷達模型主要實現(xiàn)根據(jù)平臺的運動軌跡及當前的控制參數(shù)實時產(chǎn)生發(fā)射電磁信息，接收SAR回波生成軟件產(chǎn)生的回波信號及反射電磁信息，并將收到的回波信息進行信號處理實現(xiàn)圖像生成顯示。SAR雷達仿真模型運行過程如圖4所示。

圖4 SAR雷達實時仿真模型流程圖

1）波束調度模塊：根據(jù)外部輸入的實時參數(shù)控制選擇雷達工作模式、想定給出的成像區(qū)域、平臺慣導數(shù)據(jù)實時計算天線波束指向；

2）天線方向圖模塊：根據(jù)波束調度模塊得到的波束指向、外部輸入的天線波束寬度、陣元數(shù)等參數(shù)計算天線增益、方向圖；

3）發(fā)射機模塊：根據(jù)外部輸入的分辨率、成像范圍、發(fā)射信號功率、信號頻率、步驟1）得到的波束指向、步驟2）得到的天線增益、方向圖、仿真實現(xiàn)雷達發(fā)射機功能得到電磁信號發(fā)射參數(shù)，按照SAR回波生成模塊需要的格式打包發(fā)送給回波生成軟件；

4）接收機模塊：接收回波生成軟件生成的回波數(shù)據(jù)，并根據(jù)接收機噪聲系數(shù)、接收機帶寬、接收機增益等參數(shù)仿真接收機對回波信號的功率放大、限幅、量化等處理，以滿足成像質量要求；

5）信號處理模塊：對接收的回波數(shù)據(jù)進行成像輸出。

3.1 波束調度模塊

假設感興趣區(qū)域的中心點坐標(xr，yr，zr)、載機坐標(x，y，z) ，則：

則天線方位向波束指向為θAz=α，俯仰向波束指向為?El=β。

3.2 天線模塊［9］

根據(jù)波束指向、外部輸入的天線波束寬度、陣元數(shù)等參數(shù)仿真計算天線增益、方向圖等，其中天線增益為

其中θ3為天線方位向上半功率（3dB）波束寬度，?3為天線俯仰向上半功率（3dB）波束寬度；天線方向圖為［10］

其中θ為空間中某一方位角，?為空間中某一俯仰角，N為天線陣面X方向陣元個數(shù)，dx為天線陣面X方向陣元間距，M為天線陣面Y方向陣元個數(shù)，dy為天線陣面Y方向陣元間距。

則當前波束指向位置的天線增益為

3.3 發(fā)射機模塊

根據(jù)分辨率、輸入的發(fā)射信號功率、輸入的信號頻率、想定給出的成像區(qū)域等參數(shù)仿真實現(xiàn)雷達發(fā)射機功能，主要體現(xiàn)在雷達信號頻率、帶寬、脈沖重復頻率（PRF）等。其中，雷達信號帶寬為

其中，δ為距離分辨率。其中，PRF需滿足：

其中ρ為波束擦地角。

3.4 接收機模塊

接收機模塊主要用于接收回波生成模塊生成的回波數(shù)據(jù)及電磁信號，并根據(jù)接收機噪聲系數(shù)、接收機帶寬、接收機增益等參數(shù)仿真接收機對回波信號的功率放大、限幅、量化等處理，以滿足成像質量要求。其中，成像質量可用信噪比（SNR）表示，SNR可表示為［11］

其中，Pav為雷達發(fā)射平均功率；Gt為雷達天線發(fā)射增益；Gr為雷達天線接收增益；σ0為雷達波束視線方向，被照射目標區(qū)的雷達后向反射系數(shù)；δ為雷達距離分辨率；k為波爾茲曼常數(shù)；T0為系統(tǒng)噪聲溫度；v為雷達平臺飛行速度；Ls為綜合損耗因子；SNR為圖像輸出信噪比，一副清晰的圖像要求信噪比大于5dB。

3.5 信號處理模塊

利用距離-多普勒算法（RD算法）［12］對回波數(shù)據(jù)進行成像、輸出。其中，RD算法流程如圖5所示。

圖5 RD算法流程圖

4 基于SAR雷達實時仿真平臺的SAR回波生成系統(tǒng)

回波生成軟件將想定對應的地形高層數(shù)據(jù)、建好的三維場景、電磁信號參數(shù)及平臺參數(shù)輸入回波生成模塊，進行回波生成，得到場景回波原始數(shù)據(jù)。

則基于SAR雷達實時仿真平臺的SAR回波生成軟件的系統(tǒng)流程圖如圖6所示。

圖6 本文提出的系統(tǒng)的流程圖

5 仿真結果

仿真設置場景為在距離某機場80km處對機場進行聚束SAR成像，下載得到該機場的數(shù)字高層數(shù)據(jù)及地圖衛(wèi)片［13］，地圖衛(wèi)片如圖7所示。

圖7 仿真場景地圖衛(wèi)片

在犀牛軟件中導入下載的地圖衛(wèi)片數(shù)據(jù)，根據(jù)地圖衛(wèi)片在對應的位置擺放建好的目標模型，并對各不同地形地貌進行材質覆蓋，建好的場景模型如圖8所示。

圖8 建好的場景模型圖

利用本文提出的SAR回波生成軟件輸出結果如圖9所示。

可以看出，本文提出的基于SAR雷達實時仿真平臺的SAR回波生成系統(tǒng)具有較好的成像性能，準確地反映了場景中的各個目標。

圖9 本文提出的SAR回波生成系統(tǒng)結果

6 結語

本文提出一種基于SAR雷達實時仿真平臺的SAR回波生成系統(tǒng)，通過在成像過程中考慮實時雷達系統(tǒng)特性、平臺運動特性、目標環(huán)境電磁特性對SAR回波生成過程的影響來提高SAR回波生成的準確性。該系統(tǒng)首先根據(jù)SAR成像特性來生成雷達平臺的運動軌跡，并對待成像區(qū)域目標、環(huán)境進行三維建模，然后利用SAR雷達實時仿真平臺根據(jù)雷達平臺的運動軌跡得到SAR雷達系統(tǒng)實時發(fā)射電磁信息，再將發(fā)射電磁信息實時輸入SAR回波生成軟件，同時將上述過程得到的目標及環(huán)境模型載入到SAR回波生成軟件中進行回波生成，最后將生成的回波數(shù)據(jù)接入SAR雷達實時仿真平臺來實現(xiàn)成像區(qū)域的SAR成像。結果顯示本文提出的SAR回波生成系統(tǒng)具有較好的成像性能，為SAR雷達方案設計提供了有效的支持，具有實用性強的優(yōu)點。