[发明专利]一种SAR图像二次散射特征模拟方法

说明书

技术领域

本发明涉及卫星遥感应用领域，尤指一种SAR图像二次散射特征模拟方法。

背景技术

合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)具有全天时、全天候、可穿透云雾快速成像的能力，在灾害应急和多云多雨地区监测中具有不可替代的作用，已逐步成为对地观测重要手段之一。自2007年以来，意大利的COSMO-SkyMed、加拿大的RADARSAT-2、德国的TerraSAR-X和TanDEM-X、中国的GF-3号卫星系统先后升空，开启了高分辨率星载SAR时代，为城市目标监测提供了大量SAR数据。

然而，SAR特殊的成像方式以及建筑物目标结构的复杂性，导致SAR图像特征非常复杂，呈现出完全不同于人类视觉的图像特征，给城区高分辨率SAR图像理解和应用造成很大的困难。对于城市建筑物目标而言，在SAR图像中最为明显就是二次散射特征，通常表现为亮线状或者亮块状特征，对于建筑物目标的识别与参数提取具有重要的指示意义。就成像机理而言，二次散射特征的形成机制非常复杂，不仅与建筑物目标及其下垫面的几何结构和理化参数有关，还与成像角度和方位等有关。

SAR图像模拟技术是对二次散射特征的形成机制进行分析的最为有效的手段。SAR图像模拟是根据地面实际情况或其他资料(如地图或其他遥感资料)、传感器轨道参数和雷达成像参数，利用后向散射模型和雷达成像原理生成不同成像条件下(不同入射角、方位角、波长、极化和分辨率等)模拟SAR图像，模拟图像与真实图像在几何特征和辐射特征方面保持一定的一致性，可用于并解释形成这种散射特征的形成过程。

虽然出现了很多种SAR图像模拟技术，但是由于电磁波与目标之间的二次散射过程非常复杂，无法用数学公式和模型精确描述，而现有的图像模拟方法不能有效而准确地刻画二次散射特征形成过程，模拟出准确的二次散射特征。因此，利用数值模拟方法对电磁波与目标场景相互作用过程进行精确刻画，模拟SAR图像中二次散射特征对于城市建筑物目标SAR图像特征分析、目标识别和参数提取具有重要的价值。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种SAR图像二次散射特征模拟方法，该方法利用射线追踪算法模拟SAR天线发射电磁波信号与建筑物目标之间的相互作用过程，利用模拟回波信号生成二次散射特征图像。

为实现上述目标，本发明的一种SAR图像二次散射特征模拟方法，具体步骤为：1)利用建筑物目标的三维模型构建三维成像场景；2)对三维成像场景中每一个三角面元赋予不同的微波散射属性；3)利用射线追踪算法模拟电磁波与建筑物目标之间的相互作用过程，生成模拟回波信号；4)将形成的模拟回波信号映射到SAR图像平面，生成二次散射特征图像。

进一步，步骤1)中利用建筑物目标的三维模型通过3ds Max、SketchUp等CAD软件来构建三维成像场景。

进一步，所述三维成像场景以三角面元为最小基元，每一个三角面元可表示为i＝1，2，3，…，N_tri，其中，和分别是第i个面元F_i对应的三个顶点，N_tri为三角面元总数。

进一步，步骤2)中根据微波散射基本原理对每一个三角面元的微波散射属性进行赋值。

进一步，所述的微波散射属性包括表面粗糙度和介电特性。

进一步，所述的粗糙度主要影响表面散射特性，散射能量为随着散射角γ增大而减小，不同粗糙度程度下，减弱趋势不一样，可以用粗糙度参数a进行控制，粗糙度可以分为粗糙、中等粗糙和光滑三种类型，粗糙度参数a分别为10，1和0.1；三维成像场景中所有面元的粗糙度属性表示为{a_i}，i＝1，2，3，…，N_tri。

进一步，所述的散射角是散射方向与菲涅尔反射方向的夹角，如图2所示，为入射方向，为菲涅尔反射方向，为散射方向，∠BOC为散射角。

进一步，所述的介电特性主要是影响表面反射信号与入射信号的比值，即反射率大小，可以分为强、中等、弱介电特性，反射率ρ分别为0.8，0.4和0.2；三维成像场景中所有面元的介电特性表示为{ρ_i}，i＝1，2，3，…，N_tri。

进一步，步骤3)中模拟电磁波与建筑物目标之间的相互作用过程是在给定的成像参数的条件下，利用射线追踪算法计算电磁波信号与三维成像场景的散射过程，得到回波信号的过程。