双站合成孔径雷达海面成像的计算机仿真方法

摘要

本发明一种双站合成孔径雷达海面成像的计算机仿真方法，涉及合成孔径雷达成像技术领域和海洋学领域，其将仿真的真实场景，在近似程度下简化分解为七个适合计算机仿真：海面波浪的仿真；第一尺度波浪的波面产生的倾斜调制的仿真；海面波浪之间相互作用产生流体动力调制的仿真；海面双站相关时间仿真；分割波浪谱仿真；海面的双站电磁散射仿真；海面双站合成孔径雷达图像仿真；并针对上述问题，编制软件逐一解决，生成最终的仿真双站合成孔径雷达海面图像。本发明方法，通过文件作为接口，将几个学科之间的仿真问题集成到一起，既满足了最后仿真的要求，又方便了软件模块的开发。

权利要求

1.双站合成孔径雷达海面成像的计算机仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：用于流体动力和倾斜调制计算的第一尺度、第二尺度波浪二维波浪谱和布拉格波浪的二维波浪谱仿真模块，接收仿真海面场景范围、散射分辨单元大小、海况参数和双站合成孔径雷达观测参数，生成笛卡儿坐标系下的用于计算流体动力和倾斜调制的第一尺度、第二尺度及布拉格波浪的二维波浪谱文件；

步骤2：海面倾斜调制作用仿真模块，接收第一尺度波浪的二维波浪谱文件，用于生成本地观测角度文件、极化因子文件、本地布拉格波浪的波数矢量文件和第一尺度流场文件；

步骤3：海面波-波作用的流体动力调制仿真模块，接收第一尺度波浪的二维波浪谱文件、第二尺度波浪的二维波浪谱文件和布拉格波浪的二维波浪谱文件，用于生成调制的第二尺度波浪的波浪谱文件和调制的布拉格波浪的波浪谱文件；

步骤4：海面双站相关时间仿真模块，接收调制的第二尺度波浪的波浪谱文件和本地观测角度文件，用于生成海面双站相关时间文件；

步骤5：分割波浪谱仿真模块，接收第一尺度波浪的二维波浪谱文件、调制的第二尺度波浪的二维波浪谱文件，用于生成重新分割的第一尺度波浪的波浪谱文件和重新分割的第二尺度波浪的波浪谱文件；

步骤6：海面双站电磁散射仿真模块，接收重新分割的第一尺度波浪的波浪谱文件、第二尺度波浪的波浪谱文件、本地观测角度文件、极化因子文件及本地布拉格波浪的波数矢量文件，生成每个散射分辨单元的平均散射截面NRCS文件；

步骤7：海面双站合成孔径雷达成像仿真模块，接收平均散射截面NRCS文件、海面双站相关时间文件和第一尺度流场文件，用于生成仿真的海面双站合成孔径雷达图像。

2.如权利要求1所述的计算机仿真方法，其特征在于，所述二维波浪谱仿真模块中用于流体动力和倾斜调制计算的第一尺度、第二尺度波浪划分原则如下：第一尺度波浪的划分包括如下：

第一尺度波浪的二维波浪谱x、y方向的采样间隔 分别为：第一尺度波浪的二维波浪谱x、y方向的最大波数 分别为：第二尺度波浪的划分包括如下：

第二尺度波浪的二维波浪谱x、y方向的采样间隔 分别为：第二尺度波浪的二维波浪谱x、y方向的最大波数 分别为：其中，二维真实场景方向分别为x、y，它们所对应的场景宽度分别为Lx、Ly，上标l表示第一尺度波浪；x、y方向的场景分辨单元大小分别为Δx、Δy，雷达入射波波数为ke，上标i表示第二尺度波浪。

3.如权利要求1所述的计算机仿真方法，其特征在于，所述海面倾斜调制作用仿真模块，是利用第一尺度波浪生成的波面，通过入射平面内、正交于入射平面内产生的偏角θ、δ，利用几何数学，获得每个分辨单元的本地入射角θ′i、本地散射角θ′s、本地入射方位角 本地散射方位角 根据角度θ′i、θ′s、 的转换建立倾斜调制仿真，利用角度θ′i、θ′s、 得到每个分辨单元的本地布拉格波浪的波数矢量k′B；所述角度θ′i、θ′s、 表示为：θ′i＝arccos[cos(θ+θi)cosδ]式中：θi、θs分别表示全局入射角和全局散射角； 分别表示相对仿真场景x方向的全局入射方位角和全局散射方位角。

4.如权利要求1所述的计算机仿真方法，其特征在于，所述海面倾斜调制作用仿真模块，根据散射理论及倾斜调制作用获得全局坐标系下的极化因子表示如下：

2 2 2 2 2 2 2

<|ГHH|>＝<(Hs·Vs′)|SV′V′|(V′·H)>+<(Hs·Hs′)|SH′V′|(V′·H)>

2 2 2 2 2 2

+<(Hs·Vs′)|SV′H′|(H′·H)>+<(Hs·Hs′)|SH′H′|(H′·H)>+*

2<(Hs·Vs′)(V′·H)(Hs·Hs′)(V′·H)Re{SV′V′SH′V′}>+*

2<(Hs·Vs′)(V′·H)(Hs·Vs′)(H′·H)Re{SV′V′SV′H′}>+*

2<(Hs·Vs′)(V′·H)(Hs·Hs′)(H′·H)Re{SV′V′SH′H′}>+*

2<(Hs·Hs′)(V′·H)(Hs·Vs′)(H′·H)Re{SH′V′SV′H′}>+*

2<(Hs·Hs′)(V′·H)(Hs·Hs′)(H′·H)Re{SH′V′SH′H′}>+*

2<(Hs·Vs′)(H′·H)(Hs·Hs′)(H′·H)Re{SV′H′SH′H′}>

2 2 2 2 2 2 2

<|ГVV|>＝<(Vs·Vs′)|SV′V′|(V′·V)>+<(Vs·Hs′)|SH′V′|(V′·V)>

2 2 2 2 2 2

+<(Vs·Vs′)|SV′H′|(H′·V)>+<(Vs·Hs′)|SH′H′|(H′·V)>+*

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2<(Vs·Vs′)(V′·V)(Vs·Vs′)(H′·V)Re{SV′V′SV′H′}>+*

2<(Vs·Vs′)(V′·V)(Vs·Hs′)(H′·V)Re{SV′V′SH′H′}>+*

2<(Vs·Hs′)(V′·V)(Vs·Vs′)(H′·V)Re{SH′V′SV′H′}>+*

2<(Vs·Hs′)(V′·V)(Vs·Hs′)(H′·V)Re{SH′V′SH′H′}>+*

2<(Vs·Vs′)(H′·V)(Vs·Hs′)(H′·V)Re{SV′H′SH′H′}>其中，ГHH、ГVV分别表示全局坐标系下的HH、VV极化因子；Sp′q′表示本地坐标系下的极化因子，p′＝H′，V′为接收极化方式；q′＝H′，V′为发射极化方式；H，V为全局坐标系中入射波的水平、垂直极化方向，H′，V′为本地坐标系中入射波的水平、垂直极化方向；Hs，Vs为全局坐标系中散射波的水平、垂直极化方向；H′s，V′s为本地坐标系中散射波的水平、垂直极化方向；

本地坐标系下的极化因子通过如下公式求得：

式中θ、δ为第一尺度波浪生成的波面，通过入射平面内、正交于入射平面内产生的偏角，θ′i为本地入射角，θ′s为本地散射角， 为本地入射方位角， 为本地散射方位角，θi、θs分别表示全局入射角和全局散射角；表示相对仿真场景x方向的全局散射方位角。

5.如权利要求1所述的计算机仿真方法，其特征在于，所述的海面双站相关时间仿真模块是在雷达成像中用相关时间来表征海面上同一散射体在不同时刻的相关性，根据海面电磁理论和雷达信号处理，双站海面相关时间τs表示如下：其中：

kiz＝kecosθ′i，ksz＝kecosθ′s，kih，ksh分别为入射和散射波数矢量在水平面的分量；kiz，ksz分别为入射波数和散射波数矢量在垂直方向上的分量； 分别表示第二尺度波浪与入射方向、散射方向的夹角；F′(k，x)表示每个散射单元调制后的第二尺度波浪的波浪谱，θ′i为本地入射角，θ′s为本地散射角，ke为雷达入射波波数，k为波浪波数标量，二维真实场景方向分别为x、y。

6.如权利要求1所述的计算机仿真方法，其特征在于，所述平均散射截面NRCS文件的生成，根据基于二阶布拉格波浪散射的随机多尺度海面散射模型，求得每个散射分辨单元内的第一尺度和第二尺度波浪的散射截面以及二阶布拉格波浪散射截面，最后相加便生成每个分辨单元的平均散射截面NRCS文件。

说明书

双站合成孔径雷达海面成像的计算机仿真方法

技术领域

[0001] 本发明属于海洋学和海面成像技术领域，涉及合成孔径雷达海面成像技术，具体地是涉及一种双站合成孔径雷达海面成像的计算机仿真方法。

背景技术

[0002] 合成孔径雷达(SAR)是20世纪50年代末发展起来的一种主动微波遥感手段，与其他遥感手段相比，有分辨率高、全天时、全天候、分辨率不随斜距变化等优势，在很多领域都得到了大量成功的应用，海洋遥感就是SAR的一个重要应用领域，1978年美国发射的第一颗合成孔径雷达卫星SeaSAT就是针对海洋遥感应用的，后来的一些合成孔径雷达卫星如ERS-1、ERS-2、EnviSAT、RADARSAT等都在海洋遥感方面得到了大量的应用，如利用SAR图像反演海面风场、海面波浪谱、海流、海底地形等。

[0003] 由于技术水平的限制，目前成熟的星载、机载SAR主要是单站SAR系统。然而，双站SAR有许多单站SAR不具备的优势，各个国家的技术人员已经开始致力于双站SAR理论及系统的开发工作。在2007年，已经有法国技术人员公开发表了双站海面舰船尾迹雷达成像仿真器的文献，除此之外未见其他公开文献涉及这个方面，现有技术着重于海面舰船尾迹的仿真，它包括海面、舰船开尔文尾迹高程的仿真，尾迹扰动后的波浪谱的仿真、利用改进二尺度散射模型生成平均散射截面的仿真以及合成孔径成像仿真。该现有技术只考虑了舰船开尔文尾迹的海面双站雷达成像，不能直接延伸至其他海洋应用(如油膜、海底地形及潮汐流等)；其次，海面平均散射截面的生成在整个仿真方法中是很重要的一个组成部分，它的精确程度直接决定成像结果的准确度，在该现有技术中，利用的是二尺度海面散射模型来获取海面舰船尾迹平均散射截面，而现在普遍认识中，三尺度海面散射模型比二尺度海面散射模型更加准确有效，并且研究表明，二阶布拉格波浪散射也会对平均散射截面大小产生明显的影响，现有技术并未考虑二阶布拉格波浪散射影响。

发明内容

[0004] 为了解决现有技术的问题，本发明的目的是提供一种双站合成孔径雷达海面成像的计算机仿真方法，在利用双站合成孔径雷达(biSAR)对海面进行观测时，将仿真的真实场景在一定近似程度下简化分解为七个适合计算机仿真的具体问题，以便在计算机上直接仿真。

[0005] 为达到上述目的，本发明解决问题的技术方案是提供双站合成孔径雷达海面成像的计算机仿真方法，其步骤如下所述：

[0006] 步骤1：用于流体动力和倾斜调制计算的第一尺度、第二尺度波浪二维波浪谱和布拉格波浪的二维波浪谱仿真模块，接收仿真海面场景范围、散射分辨单元大小、海况参数和双站合成孔径雷达观测参数，生成笛卡儿坐标系下的用于计算流体动力和倾斜调制的第一尺度、第二尺度及布拉格波浪的二维波浪谱文件；

[0007] 步骤2：海面倾斜调制作用仿真模块，接收第一尺度二维波浪谱文件，用于生成本地观测角度文件、极化因子文件、本地布拉格波浪的波数矢量文件和第一尺度流场文件；

[0008] 步骤3：海面波-波作用的流体动力调制仿真模块，接收第一尺度波浪的二维波浪谱文件、第二尺度波浪的二维波浪谱文件和布拉格波浪的二维波浪谱文件，用于生成调制的第二尺度波浪波浪谱文件和调制的布拉格波浪的波浪谱文件；

[0009] 步骤4：海面双站相关时间仿真模块，接收调制的第二尺度波浪的波浪谱文件和本地观测角度文件，用于生成海面双站相关时间文件；

[0010] 步骤5：分割波浪谱仿真模块，接收第一尺度波浪的二维波浪谱文件、调制的第二尺度波浪的二维波浪谱文件，用于生成重新分割的第一尺度波浪的波浪谱文件和重新分割的第二尺度波浪的波浪谱文件；

[0011] 步骤6：海面双站电磁散射仿真模块，接收重新分割的第一尺度波浪的波浪谱文件、第二尺度波浪的波浪谱文件、本地观测角度文件、极化因子文件及本地布拉格波浪的波数矢量文件，生成每个散射分辨单元的平均散射截面NRCS文件；

[0012] 步骤7：海面双站合成孔径雷达成像仿真模块，接收平均散射截面NRCS文件、海面双站相关时间文件和第一尺度流场文件，用于生成仿真的海面双站合成孔径雷达图像。

[0013] 本发明的有益效果是：本发明通过文件作为接口，将涉及流体力学和几何数学、电磁波理论和信号处理几个学科之间的仿真问题集成到一起，既可以满足最后仿真的要求，又可以将仿真问题化解为相关性较小的几个理论仿真问题，大大方便了软件模块的开发。本发明仿真方法利用目标不同入射角、散射角的散射特性，大大提高SAR目标检测、分类、识别的能力，可以大大提高SAR的应用能力和水平；本发明仿真方法促进了安全性和隐蔽性都大大优于单站SAR的双站SAR对海面的遥感成像应用，本发明双站SAR的仿真在军事上也有很好的应用前景，可以为军事海洋目标的成像、检测、分类以及识别提供依据。本发明促进了以双站SAR方式进行海面特征(波浪谱、风场等)反演的应用。

附图说明

[0014] 图1是本发明的流程图；

具体实施方式

[0015] 下面将结合附图对本发明加以详细说明，应指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

[0016] 随着信号相位同步技术、时间同步、定位技术等制约双站SAR发展的关键技术水平的提高和突破，双站SAR研究受到了的越来越多的关注，有很多国家的研究人员提出了一些双/多站SAR卫星编队和组网的计划和方案，如TechSAT 21、BISAT、Cartwheel等，有一些方案已经开始研制。近年来国内的一些单位和研究人员也开始致力于双站SAR理论、技术的研究以及设备的开发。在不久的将来，双站SAR遥感时代即将来临。

[0017] 海洋遥感是双站SAR对地遥感的重要应用之一，双站SAR海洋遥感与单站SAR相比可以获取海面更多散射角的散射信息，可以反演出更准确的海流、海浪谱等信息。海面不同于陆地目标，它是一个随机运动的时变随机粗糙面，在SAR合成孔径时间内会产生明显的运动，因此在双站SAR海洋成像中不仅与海面的双站散射特性有关，还与海面的随机运动特性有关，其机理远比陆地固定目标复杂，是当前海洋SAR遥感的前沿领域；并且双站合成孔径雷达海面成像技术研究涉及流体力学、海洋物理、计算电磁场、信号处理等学科的非常复杂的问题，有很多现象和问题都需要在实验中发现、分析和验证。但是真实实验耗资巨大，而且海洋非常复杂，各种水文气象条件很难控制和测量，而计算机仿真试验因为条件可控，实施方便，因而成为认识双站合成孔径雷达(SAR)海面成像机理、规律的一种重要分析手段，并且为进一步的双站SAR海洋遥感应用研究提供一个通用的数值仿真平台。国内没有任何与此相关的系统性的仿真工作和专利，因此本发明将为我国开展双/多站SAR海洋遥感应用研究打下基础，为我国双站SAR海洋遥感设备的研制提供参考和理论依据。

[0018] 本发明与该现有技术首要的不同之处在于，该现有技术着重于海面舰船尾迹的仿真，而本发明着重海面波浪雷达成像的计算机仿真方法，由于海面各种目标(如舰船、油膜、海底地形及潮汐流等)都是在海浪背景下存在的，各种海面目标都可以在一定的理论模型基础上加入到海浪雷达成像仿真中，因此本发明不仅可以简单地延伸至海面舰船成像尾迹的雷达成像计算机仿真方法，还可以很简单地延伸至海面其他各种目标的雷达成像，从而通用性、延伸性更好；其次，在法国技术人员的现有公开仿真器中，采用的是二尺度散射模型来描述海面双站散射特性，本发明则采用基于二阶布拉格散射的三尺度散射模型，由于本发明多考虑了中等尺度波在双站散射中的影响以及二阶布拉格波浪散射，比起二尺度散射模型来说，得到的散射特性分布将更加精确，从而使得双站雷达成像结果更加精确及合理；最后，本发明与现有公开仿真器在选择波浪谱离散化步进波数间隔和分割波数值的原则还有不同，现有仿真器仅考虑了根据仿真场景范围和平面个数来进行划分，而本发明从物理意义及模型本质角度出发，将进行流体动力调制的波浪谱划分原则和计算散射截面分布的波浪谱划分原则进行了分离，从而使得本发明中整个仿真方法更加细化，物理意义更加明确。

[0019] 本发明的双站合成孔径雷达海面成像的计算机仿真方法，其将仿真的真实场景，在近似程度下简化分解为七个适合计算机仿真的具体问题：

[0020] a)、根据输入的仿真海面场景范围、散射分辨单元大小、海况参数例如：风速大小及方向、双站SAR观测参数例如：全局入射角、全局散射角、全局入射方位角、全局散射方位角，雷达载波频率，生成笛卡儿坐标系下的用于计算流体动力和倾斜调制的第一尺度、第二尺度波浪及布拉格波浪的二维波浪谱；

[0021] b)、根据仿真生成的第一尺度波浪的波面，进行倾斜调制的仿真；

[0022] c)、根据第一尺度波浪和第二尺度波浪、布拉格波浪之间的流体力学调制理论，利用海面第一尺度、第二尺度波浪和布拉格波浪相互作用，产生的流体动力调制的仿真模块；

[0023] d)、根据流体动力调制后的本地第二尺度波浪的波浪谱，计算每个散射分辨单元内的双站海面相关时间；

[0024] e)、根据第一尺度、第二尺度波浪的散射截面计算的分割原则，将用于计算流体动力和倾斜调制的第一尺度、第二尺度波浪的波浪谱重新划分成用于计算双站散射截面的第一尺度、第二尺度波浪的二维波浪谱；

[0025] f)、海面的双站电磁散射仿真；

[0026] g)、海面双站合成孔径雷达图像仿真。

[0027] 本发明在合理简化、理论分析和广泛调研基础上，将双站合成孔径雷达(biSAR)海面成像的计算机仿真方法的以上七个具体问题简化分解为七个部分，七个部分之间的关系如下：

[0028] A)、海面波浪谱仿真：在风的作用下，大气与水面相互摩擦，最后风作用力与波浪破碎达到平衡状态会产生统计意义上稳定的波浪波浪谱。这里主要涉及海洋学和流体力学问题。

[0029] B)、倾斜调制仿真：第二尺度波浪分布在第一尺度波浪的波面上，在不同的第一尺度波浪的波面位置，会使得入、散射矢量在本地坐标系下产生不同的偏移，从而改变本地入、散射矢量、布拉格波浪矢量及极化因子大小。涉及流体力学和几何数学。

[0030] C)、波-波调制仿真：波浪之间相互作用后会产生对海面波浪统计结构的改变，产生扰动后的海面波浪谱。这里主要涉及海洋学和流体力学问题。

[0031] D)、双站海面相关时间仿真：由于海面时刻处在随机运动当中，需要用海面相关时间来表示散射体随时间的变化。这里涉及电磁学与合成孔径雷达(SAR)信号处理。

[0032] E)、分割波浪谱仿真：由于流体动力调制、倾斜调制与分辨单元大小有关，而第一尺度、第二尺度波浪的散射截面与基尔霍夫积分式简化原则有关，因此为了得到每个分辨单元内的散射截面时要根据基尔霍夫积分式简化原则，重新分割第一尺度、第二尺度波浪的波浪谱。这里涉及电磁散射和数学插值理论。

[0033] F)、海面的双站电磁散射仿真：海浪对雷达信号的调制是仿真的关键问题，海浪与电磁波相互作用，在Bragg谐振理论下，双站合成孔径雷达(biSAR)对海面的微尺度结构比较敏感，波波作用和倾斜作用改变了海面的微尺度结构从而被双站合成孔径雷达(biSAR)探测到。这里主要涉及电磁波理论。

[0034] G)、双站合成孔径雷达(biSAR)图像仿真：在海浪的微波散射模型基础上结合海浪的时变、运动特性，通过合成孔径雷达(SAR)信号处理分析就可以得到双站合成孔径雷达(biSAR)仿真图像。这里主要涉及合成孔径雷达信号处理和海洋学问题。

[0035] 上述七个部分在目前的计算机技术水平和科学理论水平上都可以开展研究和仿真工作。

[0036] 本发明的计算机仿真方法的整个仿真系统，是在计算机上采用MATLAB环境下编制仿真软件，划分为如下七个仿真模块：用于流体动力和倾斜调制计算的第一尺度、第二尺度波浪二维波浪谱和布拉格波浪的二维波浪谱仿真模块1；海面倾斜调制作用仿真模块2；海面波-波作用的流体动力调制仿真模块3；海面双站相关时间仿真模块4；分割波浪谱仿真模块5；海面双站电磁散射仿真模块6；海面双站合成孔径雷达成像仿真模块7，分别对应上述七个部分，以解决每个部分的问题。下面对本发明组成的系统结构的组成及关系叙述如下：

[0037] 用于流体动力和倾斜调制计算的第一尺度、第二尺度波浪二维波浪谱和布拉格波浪的二维波浪谱仿真模块1，接收仿真海面场景范围、散射分辨单元大小、海况参数、双站合成孔径雷达观测参数，生成笛卡儿坐标系下的用于计算流体动力和倾斜调制的第一尺度、第二尺度及布拉格波浪的二维波浪谱文件；

[0038] 海面倾斜调制作用仿真模块2与二维波浪谱仿真模块1连接，接收第一尺度二维波浪谱文件，用于生成本地观测角度文件、极化因子文件、本地布拉格波浪的波数矢量文件和第一尺度流场文件；

[0039] 海面波-波作用的流体动力调制仿真模块3与二维波浪谱仿真模块1连接，接收第一尺度二维波浪谱文件、第二尺度二维波浪谱文件和布拉格波浪的二维波浪谱文件，用于生成调制的第二尺度波波浪谱文件和调制的布拉格波浪的波浪谱文件；

[0040] 海面双站相关时间仿真模块4分别与海面波-波作用的流体动力调制仿真模块3和海面倾斜调制作用仿真模块2连接，接收调制的第二尺度波波浪谱文件和本地观测角度文件，用于生成海面双站相关时间文件；

[0041] 分割波浪谱仿真模块5与二维波浪谱仿真模块1和流体动力调制仿真模块3连接，接收第一尺度波浪的二维波浪谱文件、调制的第二尺度波浪的二维波浪谱文件和布拉格波浪的二维波浪谱文件，用于生成重新分割的第一尺度波浪的波浪谱文件和重新分割的第二尺度波浪的波浪谱文件；

[0042] 海面双站电磁散射仿真模块6分别与分割波浪谱仿真模块5和海面倾斜调制作用仿真模块2连接，接收重新分割的第一尺度和第二尺度波浪的波浪谱文件、本地观测角度文件、极化因子文件及本地布拉格波浪的波数矢量文件，生成每个散射分辨单元的平均散射截面NRCS文件；

[0043] 海面双站合成孔径雷达成像仿真模块7与海面倾斜调制作用仿真模块2、海面双站相关时间仿真模块4和海面双站电磁散射仿真模块6连接，接收第一尺度流场文件、海面双站相关时间文件和平均散射截面NRCS文件，用于生成仿真的海面双站合成孔径雷达图像。

[0044] 如图1所示，本发明的计算机仿真方法仿真集成步骤，包括：

[0045] 步骤1：输入仿真海面场景范围、散射分辨单元大小、海况参数(风速大小及方向)、双站SAR观测参数：全局入射角、全局散射角、全局入射方位角、全局散射方位角、雷达载波频率，采用目前国际上通用的波浪谱模型来仿真第一尺度、第二尺度波浪的波浪谱及布拉格波浪的波浪谱。

[0046] 在本发明的仿真中综合利用DHH，Banner，Plant提出的波浪谱，被简称为D谱，形式如下：

[0047] F(k，φ)＝F(k，0)D(k，φ) (1)[0048] 其中，D(k，φ)代表角展函数，φ＝0代表风向。这里的角展函数形式我们采用DHH实验测量所得：

[0049] D(k，φ)＝sech2(Bφ) (1a)

[0050] 对于重力波数域，B变化如下：

[0051]

[0052] 其中，kp表示海浪谱密度峰值处波数。

[0053] 本发明的仿真中利用Banner给出的海浪功率谱峰值波数范围附近的重力波数范围内的波浪谱形式如下：

[0054]

[0055] 其 中 ，α ＝ 0 . 0 0 1 7 7 6 ( U / c p) 0.5，k p ＝ g / c p，[0056]

[0057]

[0058] 其中，g表示重力加速度；U表示10米高度处的风速；cp表示具有最大谱密度波的相速度。

[0059] Plant得到毛细波波长范围内的单向波浪谱形式如下：

[0060]

[0061] 其中，u*表示摩擦风速；c为波数k的波浪的相速度；A取0.002。

[0062] 最后全波数范围的单向波浪谱定义为：

[0063] F(k，0)＝Fg(k，0)(1-α)+Fc(k，0)α (1h)[0064] 角展函数如下：

[0065] B＝Bg(k，0)(1-α)+0.84α (1i)[0066] 其中，

[0067] 由于本发明是仿真二维真实场景，因此需要得到笛卡儿坐标系下的二维波浪谱。为了进行后面的流体动力和倾斜调制仿真，需要根据仿真海面场景范围和散射分辨单元大小来分别得到第一尺度和第二尺度波浪的二维波浪谱。这里用于流体动力和倾斜调制计算的第一尺度、第二尺度波浪划分原则如下：

[0068] 假设二维真实场景方向分别为x、y，它们所对应的场景宽度分别为Lx、Ly，上标l表示第一尺度波浪，并且x、y方向的场景分辨单元大小分别为Δx、Δy，雷达入射波波数为ke，上标i表示第二尺度波浪，那么：

[0069] 第一尺度波浪的二维波浪谱x、y方向的采样间隔ΔKxl、ΔKyl分别为：

[0070]

[0071]

[0072] 第一尺度波浪的二维波浪谱x、y方向的最大波数kxmaxl、kymaxl分别为：

[0073]

[0074]i i

[0075] 第二尺度波浪的二维波浪谱x、y方向的采样间隔ΔKx、ΔKy 分别为：

[0076]

[0077]

[0078] 第二尺度波浪的二维波浪谱x、y方向的最大波数kxmaxi、kymaxi分别为：

[0079]

[0080]

[0081] 除此之外，为了计算二阶布拉格波浪的散射截面，本发明还需要计算布拉格波浪的波浪谱，双站布拉格波浪的波数矢量kB表示如下：

[0082]

[0083] 其中，θi、θs分别表示全局入射角和全局散射角； 分别表示相对仿真场景x方向的全局入射方位角和全局散射方位角。

[0084] 根据上述公式和划分原则可以计算得到笛卡儿坐标系下海面上的二维第一尺度、第二尺度波浪的波浪谱和布拉格波浪的波浪谱，从而生成第一尺度、第二尺度波浪的二维波浪谱和布拉格波浪的二维波浪谱文件。

[0085] 步骤2：由于第一尺度波浪坡度的变化，会使得局部的入射角、散射角、入射方位角、散射方位角、极化因子以及布拉格波浪的波数矢量产生变化。

[0086] 在倾斜调制作用仿真模块中，利用步骤1生成的第一尺度波浪的波浪谱，便可计算第一尺度波浪在入射面和正交于入射面方向的坡度分布Zx、Zy：

[0087]

[0088]

[0089]

[0090] 其中，φw表示风向与合成孔径雷达入射方向之间的夹角。

[0091] 从式(7c)可以得到第一尺度波浪流场分布，表示如下：

[0092]

[0093]

[0094] 因此，利用第一尺度波浪生成的波面，可得到由于第一尺度波浪的倾斜作用，入射平面内、正交于入射平面内的偏角θ、δ；

[0095] θ＝atg(-Zx) (9a)

[0096] δ＝atg[Zycosθ] (9b)

[0097] 利用几何数学，得到的各个分辨单元的本地入射角θi′、本地散射角θs′，本地入射方位角 和本地散射方位角

[0098] θi′＝arc cos[cos(θ+θi)cosδ] (10a)

[0099]

[0100]

[0101]

[0102] 那么将各个分辨单元的本地观测角度带入式(6)就可以得到每个分辨单元内的本地布拉格波浪的波数矢量kB′。

[0103] 除此之外，在倾斜调制作用仿真模块中，本地极化因子与全局极化因子也因为倾斜作用而有所不同。一个水平极化入射波E0在本地坐标系中可以看作一个水平和一个垂直入射波，表达为：

[0104] EH′＝(H′·H)E0 (11a)

[0105] EV′＝(V′·H)E0 (11b)

[0106] 其中，H，V为全局坐标系中入射波的水平、垂直极化方向，H′，V′为本地坐标系中入射波的水平、垂直极化方向。

[0107] 根据散射理论，由上述入射波产生的本地散射场用散射矩阵来表示：

[0108]

[0109] 其中Sp′q′表示单位入射场的散射场，也即极化因子；Hs，Vs为全局坐标系中散射波的水平、垂直极化方向；Hs′，Vs′为本地坐标系中散射波的水平、垂直极化方向。为求全s s局坐标系中的散射场，需将EV′ 和EH′ 变换到全局坐标系中：

[0110]

[0111]

[0112]

[0113]

[0114]

[0115] 同理可得垂直极化入射波产生的散射场：

[0116]

[0117]

[0118]

[0119]

[0120] 通过上述各式的模平方的集平均，根据散射理论及倾斜调制作用仿真模块，可求得全局坐标系下的极化因子为：

[0121] <|ΓHH|2>＝<(Hs·Vs′)2|SV′V′|2(V′·H)2>+<(Hs·Hs′)2|SH′V′|2(V′·H)2>[0122] +<(Hs·Vs′)2|SV′H′|2(H′·H)2>+<(Hs·Hs′)2|SH′H′|2(H′·H)2>+[0123] 2<(Hs·Vs′)(V′·H)(Hs·Hs′)(V′·H)Re{SV′V′S*H′V′}>+

[0124] 2<(Hs·Vs ′ )(V ′·H)(Hs·Vs ′ )(H ′·H)Re{SV ′V ′S*V ′H ′}>+ (15a)

[0125] 2<(Hs·Vs′)(V′·H)(Hs·Hs′)(H′·H)Re{SV′V′S*H′H′}>+

[0126] 2<(Hs·Hs′)(V′·H)(Hs·Vs′)(H′·H)Re{SH′V′S*V′H′}>+

[0127] 2<(Hs·Hs′)(V′·H)(Hs·Hs′)(H′·H)Re{SH′V′S*H′H′}>+

[0128] 2<(Hs·Vs′)(H′·H)(Hs·Hs′)(H′·H)Re{SV′H′S*H′H′}>

[0129] <|ΓVV|2>＝<(Vs·Vs′)2|SV′V′|2(V′·V)2>+<(Vs·Hs′)2|SH′V′|2(V′·V)2>[0130] +<(Vs·Vs′)2|SV′H′|2(H′·V)2>+<(Vs·Hs′)2|SH′H′|2(H′·V)2>+[0131] 2<(Vs·Vs′)(V′·V)(Vs·Hs′)(V′·V)Re{SV′V′S*H′V′}>+

[0132] 2<(Vs·Vs ′ )(V ′·V)(Vs·Vs ′ )(H ′·V)Re{SV ′V ′S*V ′H ′ }>+ (15b)

[0133] 2<(Vs·Vs′)(V′·V)(Vs·Hs′)(H′·V)Re{SV′V′S*H′H′}>+

[0134] 2<(Vs·Hs′)(V′·V)(Vs·Vs′)(H′·V)Re{SH′V′S*V′H′}>+

[0135] 2<(Vs·Hs′)(V′·V)(Vs·Hs′)(H′·V)Re{SH′V′S*H′H′}>+

[0136] 2<(Vs·Vs′)(H′·V)(Vs·Hs′)(H′·V)Re{SV′H′S*H′H′}>

[0137] 其中，ΓHH、ΓVV分别表示全局坐标系下的HH、VV极化因子；Sp′q′表示本地坐标系下的极化因子，p′＝H′，V′为接收极化方式；q′＝H′，V′为发射极化方式；H，V为全局坐标系中入射波的水平、垂直极化方向，H′，V′为本地坐标系中入射波的水平、垂直极化方向；Hs，Vs为全局坐标系中散射波的水平、垂直极化方向；Hs′，Vs′为本地坐标系中散射波的水平、垂直极化方向；其中：

[0138]

[0139]

[0140]

[0141]

[0142]

[0143]

[0144] 本地坐标系下的极化因子通过如下公式求得：

[0145]

[0146]

[0147]

[0148]

[0149]

[0150] 根据上述理论模型，利用步骤1生成的第一尺度波浪的波浪谱，可以编写倾斜调制后本地观测角度、极化因子及本地布拉格波浪的波数矢量仿真模块，生成每个散射分辨单元的第一尺度波浪的波流场、本地观测角度、极化因子及本地布拉格波浪的波数矢量文件。

[0151] 步骤3：由于第一尺度波浪的和第二尺度波浪(或者布拉格波浪)之间流体力学调制作用，海面上每个散射分辨单元的第二尺度波浪(或者布拉格波浪)波浪谱并不是一致的，第一尺度波浪的波浪谱对第二尺度波浪(或者布拉格波浪)波浪谱作用，所述的流体动力调制仿真模块是根据弱相互作用理论，得到波-波调制理论模型，从而求得经过第一尺度波浪的波浪谱调制后的第二尺度波浪或者布拉格波浪的波浪谱F′(ks，x)：

[0152]

[0153]

[0154] 其中，F′(ks，x)为第一尺度波浪的波浪谱调制后的第二尺度波浪(或者布拉格波浪)的波浪谱，F(ks，x)为调制前的第二尺度波浪(或者布拉格波浪)的波浪谱，为调制前的作用谱。Q0定义为N0的倒数，δQ为调制后Q0的变化量；c.c.表示共轭，ks，K分别表示第二尺度波浪(布拉格波浪)和第一尺度波浪的波数矢量，x、t分别表示空间坐标和时间变量，μ为海水的松弛率，ρ为海水密度；ω表示波浪波数为k的角频率，这里取第一尺度波浪的角频率， 表示小尺度
波的群速度；u(K，ωc)表示第一尺度波浪的波数域流场分布；ωc表示对于t的傅立叶域频率，U0表示第一尺度波浪的流场分布的直流分量；▽ks表示对波数域求梯度。

[0155] 根据上述理论模型，利用步骤1生成的第一尺度波浪、第二尺度波浪和布拉格波浪的波浪谱可以编写波波调制仿真模块，生成每个散射分辨单元的波-波调制后的第二尺度波浪和布拉格波浪的波浪谱文件。

[0156] 步骤4：由于海面处于无时无刻运动中，海面双站相关时间仿真模块是在雷达成像中需要用相关时间来表征同一散射体在不同时刻的相关性，根据海面电磁理论和雷达信号处理，双站海面相关时间τs表示如下：

[0157]

[0158]

[0159]

[0160] kiz＝kecosθi′ (18c)

[0161] ksz＝ke cosθs′ (18d)

[0162] 其中，kih，ksh分别为入射和散射波矢量在水平面的分量；kiz，ksz分别为入射波数和散射波数矢量在垂直方向上的分量； 分别表示第二尺度波浪与入射方向、散射方向的夹角；F′(k，x)表示每个散射单元调制后的第二尺度波浪的波浪谱。

[0163] 由于在每个散射分辨单元内，第一尺度波浪都可以考虑为确定的，因此在计算双站海面相关时间时，只需要考虑第二尺度波浪的影响即可。

[0164] 根据上述理论模型，利用步骤2、3生成的本地观测角度文件和波-波调制后的第二尺度波浪的波浪谱文件可以编写双站相关时间仿真模块，生成每个分辨单元的双站相关时间文件。

[0165] 步骤5：在步骤1中生成的第一尺度、第二尺度波浪的波浪谱文件，是根据散射分辨单元大小和仿真场景范围进行划分，目的是把尺度小于分辨单元大小的波浪看作第二尺度波浪，因为雷达是无法分辨小于分辨单元的散射体的，因此我们可以把大于分辨单元的波浪看作是确定的，认为它们对小于分辨单元的第二尺度波浪进行倾斜调制和波-波调制作用，用以符合雷达分辨率和物理意义的要求。

[0166] 而分割波浪谱仿真模块需要根据电磁散射理论重新划分第一尺度和第二尺度波浪的波浪谱范围，以此符合计算双站散射截面的要求。第一尺度和的二尺度波浪的分割界线波数为kl，它需要满足如下原则：

[0167]

[0168] 式中：ke为雷达入射波波数，k为波浪波数标量。为了重新分割波浪谱，需要用到插值算法，类似于二次样条插值的方法因为不符合波浪谱变化规律并不适合用在波浪谱插值方法中，本发明为了提高计算效率，利用二维线性插值方法便可以达到一定的精度。

[0169] 根据上述原则，利用步骤1、3生成的第一尺度波浪的浪谱和每个分辨单元内调制后的第二尺度波浪的波浪谱可以编写波浪谱重新划分仿真模块，重新生成每个散射分辨单元的第一尺度、第二尺度波浪的波浪谱文件。

[0170] 步骤6：根据随机多尺度海面散射模型，波浪谱自相关函数可以分解成第一尺度波浪和第二尺度波浪的自相关函数，因此双站散射截面σqp可以分成以下两个部分：

[0171]l

[0172] 其中，σqp 表示第一尺度波浪的散射截面：

[0173]

[0174]

[0175] 其中，Sxx、Syy、Sxy分别表示x、y、xy方向的平均平方坡度：

[0176]

[0177]

[0178]

[0179] σqpis表示第二尺度波浪的散射截面：

[0180]

[0181]

[0182] |Γqp|2表示全局坐标系下的极化因子； (x)表示第二尺度波浪表面的自相关函数；kB表示本地布拉格波数矢量。值得注意的是， (x)的范围已经包括了布拉格波，因此第二尺度波浪的散射截面公式已经包含了传统的一阶布拉格波浪的散射贡献。

[0183] 为了考虑二阶布拉格波散射对一个分辨单元散射特性的影响，根据改进的组合表面模型，一个小平面的布拉格波浪的散射截面为：

[0184]

[0185] 其中Zx和Zy分别是x、y的斜率，

[0186]

[0187] σqps的泰勒展开式如下：

[0188]

[0189]

[0190]

[0191] 其中，H(k)表示流体动力调制函数。

[0192] 那么一个散射分辨单元的平均布拉格波散射截面如下：

[0193]

[0194]

[0195]

[0196] 由于布拉格波一阶散射已经包含在了第二尺度波浪的散射截面中，不予以重复考虑，因此如果再考虑进第一尺度波浪和第二尺度波浪的散射，那么一个散射分辨单元的平均散射截面为每个散射分辨单元内的第一尺度和第二尺度波浪的散射截面以及二阶布拉格波浪散射截面的总和，如下：

[0197]

[0198] 根据上述理论模型，利用步骤2、3、5生成的极化因子、调制后的布拉格波浪谱、重新划分的第一尺度波浪、第二尺度波浪的波浪谱文件编写海面双站电磁散射仿真模块，生成每个散射分辨单元的平均散射截面(NRCS)文件。

[0199] 步骤7：因为海面的时变和随机运动特性，双站合成孔径雷达(biSAR)海面目标的仿真难度要远远大于固定目标的双站合成孔径雷达(biSAR)仿真。根据速度聚束理论，假设海面有一运动的点目标P，海面的回波信号幅度为：

[0200]

[0201] 其中，σ为海面的平均散射截面；j为虚数单位；φ0(t，x0)为均匀分布的随机相位，表示不同分辨单元的散射幅度空间不相关；(τ/τs)2表示散射幅度时间相关，τs为双站海面相关时间，τ为时间变量。

[0202] 雷达发射机和接收机平行飞行且斜视情况下，根据双站SAR的几何关系，回波相位φ(t，x0)可写为：

[0203]

[0204]

[0205] 其中，Ric为雷达载机平台波束中心线指向目标时与该点目标P的距离；αi为发射或接收平台的斜视角；ΔRi(t，x0)和Δxi(t，x0)分别为距离向、方位向海面长波运动产生的目标位移；i＝t，r，分别表示发射机和接收机；V为雷达载机飞行速度，这里假设发射机和接收机平台飞行速度一致；x0为目标P的方位位置。

[0206] 根据上式及各个分辨单元的平均散射截面来仿真双站合成孔径雷达的回波，据此编写双站合成孔径雷达回波仿真软件。

[0207] 然后将合成孔径雷达回波文件作为输入，利用现有的双站合成孔径雷达成像算法可以生成最终的仿真双站合成孔径雷达海面图像。

[0208] 以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。