[發(fā)明專利]一種基于等效散射粒子的SAR森林場景建模方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010632408.6
• 申請日: 2020-07-03
• 公開（公告）號: CN111948651B
• 公開（公告）日: 2022-02-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 丁澤剛;王巖;張慶君;曾濤;鄭彭楠;張弛;田維;劉杰;趙良波;劉致曲
• 申請（專利權(quán)）人: 北京理工大學(xué)
• 主分類號: G01S13/90
• 分類號: G01S13/90
• 代理公司: 北京理工大學(xué)專利中心 11120
• 代理人: 劉西云;李微微

本發(fā)明提供一種基于等效散射粒子的SAR森林場景建模方法，通過將樹木劃分為主要結(jié)構(gòu)和次要結(jié)構(gòu)，并對次要結(jié)構(gòu)進行三維網(wǎng)格劃分，將森林場景中大量微小散射粒子，如樹葉和微小樹枝用一些等效粒子近似，有效減少了需要仿真的散射粒子的數(shù)量，因此，本發(fā)明能夠有效應(yīng)用于高分辨率森林場景SAR回波仿真，在不丟失樹木輪廓信息的同時，大幅提高仿真效率，由此解決了在合成孔徑雷達的分辨率高、幅寬大的情況下，森林場景的仿真計算量大、效率低的問題，為林業(yè)遙感應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于合成孔徑雷達技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于等效散射粒子的SAR森林場景建模方法。

背景技術(shù)

合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar，SAR)是一種主動式微波遙感技術(shù)，一般安裝在衛(wèi)星、飛機等平臺上，具有全天候、全天時等特點。隨著SAR技術(shù)的發(fā)展，其在林業(yè)遙感領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛。相對于光學(xué)遙感，SAR受天氣因素的影響較小，可以穿透植被表層，更加有效地獲取森林結(jié)構(gòu)信息，在森林生物量估計、樹高反演、森林面積反演等方面應(yīng)用尤為廣泛。為了保證林業(yè)遙感參數(shù)反演與估計算法的穩(wěn)定性、普適性，需要大量不同系統(tǒng)參數(shù)的SAR數(shù)據(jù)作為支撐。然而，通過現(xiàn)有SAR系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)有限，難以滿足實際應(yīng)用需求。需要研究森林場景SAR數(shù)據(jù)仿真技術(shù)，解決現(xiàn)有林業(yè)遙感數(shù)據(jù)短缺問題。

隨著仿真需求的不斷增加，諸多仿真模型先后被提出，為SAR系統(tǒng)設(shè)計和參數(shù)反演等應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。早期的森林場景SAR數(shù)據(jù)仿真方法大多采用概率分布模型，由于這類方法沒有對每一棵樹進行建模，因此無法描述樹木的輪廓信息。隨著SAR圖像分辨率的提高，樹木在圖像中的輪廓更加清晰，采用概率分布模型難以滿足要求，需要針對單樹結(jié)構(gòu)進行建模。但是，樹木是典型的三維結(jié)構(gòu)，包含樹葉等大量粒子，精確的模擬樹木結(jié)構(gòu)信息計算量非常大。因此，需要一種針對高分辨率森林場景的快速仿真方法來解決這一問題。

發(fā)明內(nèi)容

為解決上述問題，本發(fā)明提供一種基于等效散射粒子的SAR森林場景建模方法，有效提高了高分辨率森林場景SAR數(shù)據(jù)的仿真效率。

一種基于等效散射粒子的SAR森林場景建模方法，包括以下步驟：

S1：將樹木劃分為主要結(jié)構(gòu)和次要結(jié)構(gòu)，其中，主要結(jié)構(gòu)包括樹干和直徑大于設(shè)定值的大樹枝，次要結(jié)構(gòu)包括樹葉和直徑不大于設(shè)定值的微小樹枝；

S2：分別將樹干和大樹枝等效為圓柱體，采用無限長介電圓柱模型計算各圓柱體的散射系數(shù)，得到樹干和各大樹枝對應(yīng)的散射矩陣；

S3：將樹木的樹冠劃分為三維網(wǎng)格，然后，在每個網(wǎng)格中心位置設(shè)置一個等效散射粒子表征網(wǎng)格內(nèi)所有的樹葉和微小樹枝；

S4：獲取各等效散射粒子對應(yīng)的后向散射等效矩陣和前向散射等效矩陣；

S5：根據(jù)各散射矩陣、后向散射等效矩陣以及前向散射等效矩陣對應(yīng)的樹木直角坐標系下的位置坐標，得到樹木各位置點上的樹干、大樹枝、微小樹枝以及樹葉對應(yīng)的散射系數(shù)，其中，所述散射系數(shù)與其對應(yīng)的散射矩陣、后向散射等效矩陣以及前向散射等效矩陣中的元素為正相關(guān)關(guān)系；

S6：根據(jù)樹木各位置點上的散射系數(shù)生成對應(yīng)的SAR雷達回波后，對SAR雷達回波進行成像處理得到SAR圖像。

進一步地，分別將步驟S4中各等效散射粒子作為當前等效散射粒子執(zhí)行以下步驟，得到后向散射等效矩陣和前向散射等效矩陣：

S41：構(gòu)建后向參考矩陣和前向參考矩陣

S42：構(gòu)建三維復(fù)矢量v：

其中，a、b、c、d、e、f為互不相關(guān)的正態(tài)分布隨機數(shù)，i為虛部；

S43：將后向參考矩陣與三維復(fù)矢量v相乘得到第一復(fù)矢量u₁：