InSAR仿真实例三篇

2024-08-30

InSAR仿真实例篇1

In SAR或IFSAR是近30年内发展起来的一项新的遥感技术[1,2], 既包含了传统的SAR技术和干涉技术, 又突破了SAR成像的局限性。涉及到侧视雷达系统、雷达回波信号处理技术以及雷达图像生成等诸多方面[3,4]。In SAR是以同一地区的2张SAR图像为基本处理数据, 通过求取2幅SAR图像的相位差, 获取干涉图像, 经相位解缠, 从干涉条纹中获取地形高程数据的空间对地观测新技术[5,6]。诸多学者认为, In SAR将可能成为建立全球数字地形高程图 (DEM) 唯一的有效技术。

对SAR干扰对抗方面有价值的研究相对较多[7,8,9,10,11], 但在In SAR干扰对抗方面就相对较少[12,13,14,15,16]。本文针对实际需求, 展开了对In SAR信息处理流程与多种干扰样式的仿真研究, 提出了几种新的干扰样式, 并进行了仿真验证, 在此基础上设计开发了In SAR干扰仿真系统软件。以上研究工作为In SAR干扰研究提供了理论支撑和实验仿真平台。

1 In SAR干扰仿真的基本原理

合成孔径雷达干涉测量的基本原理为:当不同视角的2个雷达天线同时接收或1个雷达天线2次沿平行轨道接收到天线向飞行平台一侧发射的雷达波束的后向散射回波时, 系统按照时间先后顺序以复影像对的形式记录下回波的强度信息以及相位信息。其中, 强度信息用来生成SAR影像, 相位信息结合雷达辅助参数用来生成干涉条纹图, 并最终转换成测量区域的DEM。

与常规二维成像SAR相比, 三维成像SAR具有如下特点:

①获取的信息更加丰富 (同一区域多次观测) , 通过多天线对消处理, 可显著消除干扰信号;利用三维高分辨特性, 可更有效地识别真假目标;

②系统处理环节更多 (包括许多非线性环节) , 复杂性大为增加, 系统的脆弱性和易损性也随之增加。

研究对三维成像In SAR系统的干扰技术, 就是要针对In SAR系统数据处理的特点, 提出能够破坏或欺骗其成像系统输出的干扰方法, 具体包括以下3个层次:

①提出In SAR难以进行多天线对消的二维调制干扰方法, 破坏或扰乱其二维成像, 从而阻止其进行三维成像;

②针对In SAR干涉处理关键环节 (如自聚焦、图像配准、去平地、相位滤波、相位解缠和高程反演等) , 提出相应的干扰方法, 破坏或扰乱其三维成像;

③研究具有虚假高程信息调制能力的In SAR假目标欺骗干扰方法, 在其三维像中注入假目标和假环境等欺骗信息。

2 In SAR干扰仿真系统主要模块

当In SAR对地面目标进行探测时, 侦察接收系统对In SAR发射信号进行侦察测量, 得到相关的频率、相位和PRI等参数信息, 进而根据侦察到的结果, 实施对In SAR的有效干扰。为了对In SAR干扰进行进一步研究, 本文开展了干扰条件下In SAR图像模拟的相关研究。

SAR作为高分辨的成像雷达, In SAR又是以SAR作为基础, 因此, SAR系统参数是仿真的最基本参数。仿真系统采用3个典型系统的参数作为默认值, 并给出一些可调参数的动态范围, 以用来仿真其他样式的机载In SAR系统。仿真系统支持平地、丘陵和山地等地形环境模拟;支持典型点、线、面、体4类干扰目标的模拟;支持图像配准、去平地相位、相位滤波、相位解缠和数字高程反演等信号处理功能。

仿真系统基于Matlab开发环境, 采用模块化设计思想, 将各信号处理部分打包到不同的模块, 系统功能模块图如图1所示。

系统总体分为3个主模块:初始化模块、核心算法模块和综合显示模块。其中核心算法模块又分为仿真参数设定模块、回波仿真模块、SAR成像算法实现模块、In SAR信息处理模块和不同干扰样式仿真实现模块。

2.1 仿真初始化模块

仿真初始化模块负责软件系统的正常运行, 使得整个系统能够顺利执行。功能包括:①仿真进程的控制, 包括系统初始化、参数初始化、仿真开始结束等;②地形类型、干扰类型等各类对象的统一管理;③负责结果综合显示部分的命令与控制;④有关仿真结果数据保存、显示的控制。

2.2 核心算法模块

2.2.1 仿真参数设定模块

(1) SAR系统参数设置

SAR系统参数设置模块共有12项内容, 主要功能如下:①载波频率、脉冲宽度、方位向和距离向分辨率、飞行高度和雷达运动速度等可在一定范围内由用户设置;②功率、天线增益、天线波束俯仰角和天线斜视角采用的是X波段机载SAR系统的典型配置, 不能更改。

(2) 仿真场景设置

在仿真场景设置模块中提供了平地、丘陵和山地3种地形, 平地是起伏特别小的地形, 丘陵起伏比较缓慢, 而山地则起伏特别大, 不同地形对仿真效果会影响比较大。每次只能选择最接近的一种地形来进行较逼真的系统仿真。

(3) 加入干扰及样式设置

加入干扰及样式设置模块是核心模块, 可以根据用户需求生成不同干扰样式。功能包括:是否加入干扰选择;提供了8种干扰样式;可对每种干扰进行仿真验证。

(4) 干扰机参数设置

干扰机参数设置模块可以控制干扰机的干扰功率比、干扰机增益和干扰机损耗, 这些参数都是控制干扰机功率的主要参数, 另外2个参数是控制干扰机位置的参数。

(5) 回波仿真

回波仿真模块主要是根据前面设置的SAR系统参数以及地形参数来仿真主天线、辅天线回波。后面成像模块会根据主、辅天线回波进行三维成像。

(6) SAR成像算法实现

SAR成像算法比较成熟, 主要有距离压缩、方位向傅里叶变换、距离徙动校正和方位向压缩等。

(7) In SAR信息处理实现

In SAR信息处理环节比较多, 主要有距离像滤波、图像配准、去平地处理、相位滤波、相位解缠和DEM高程反演等。

2.2.2 不同样式干扰仿真

不同干扰样式的仿真是本仿真软件的核心部分。仿真软件提供了8种干扰样式, 分别是:微动干扰、移频干扰、多抽头干扰、无源微动干扰、微动加移频混合干扰、微动加多抽头混合干扰、移频加多抽头混合干扰、微动和移频加多抽头混合干扰。

2.3 综合显示模块

进度显示模块模块主要功能包括:①清楚的显示已用时间和等待时间;②显示仿真进行的每一个主要步骤。

In SAR各个流程结果显示:本模块负责综合显示主天线图像、相干系数图、初始干涉图、相位滤波图、相位解缠图和反演后的数字高程图, 也可以单独放大显示每幅图像。

3 系统开发与仿真实现

仿真系统在对不同地形建模、回波仿真、干扰类型和三维成像方面做了深入研究, 模拟了平地、丘陵和山地等地形, 并仿真了不同地形的SAR回波, 建立了不同地形的SAR回波模型;在干扰仿真方面, 仿真系统支持了点、线、面、体4类目标的模拟仿真, 在仿真系统中总共加入了8种不同干扰样式的, 不同的干扰样式各有特点, 有干扰SAR成像处理环节的, 还有干扰In SAR信息处理环节的。In SAR干扰仿真系统完成了三维合成孔径成像的流程, 并在成像的基础上加入不同的干扰。In SAR干扰仿真控制流程图如图2所示。系统参数设置的一个子模块如图3所示。参数设置界面主要分为6个部分:雷达系统参数设置、仿真场景设置、干扰参数设置、原始图像与干扰基线参数设置、干扰样式参数设置和天线参数设置。

不加干扰时的高程图如图4所示。加入干扰时的高程图如图5所示。从图5中可以看出干扰效果比较明显, 基本上破坏了原有地形的特征。

上述仿真实例说明了本文研究开发的In SAR干扰仿真系统, 从地形仿真、回波模拟和三维成像处理到不同干扰样式的模拟仿真, 整个信号处理流程详尽完善, 干扰样式全面, 仿真结果合理, 具有很高的应用价值。

4 结束语

InSAR仿真实例篇2

关键词：流体仿真软件　工控机　散热分析

中图分类号：TP391.9　　　　　文献标识码：A　　　　　文章编号：1007-3973（2012）003-100-031 工控机应用领域及设计要求

工控机是一种加固的增强型个人计算机，它作为一个工业控制器在工业环境中可靠运行，目前广泛运用于工业及人们生活的方方面面，例如：控制现场、路桥控制收费系统、医疗仪器、环境保护监测、通讯保障、智能交通管控系统、楼宇监控安防、语音呼叫中心、排队机、POS柜台收银机、数控机床、加油机、金融信息处理、石化数据采集处理、物探、野外便携作业、环保、军工、电力、铁路、高速公路、航天、地铁、智能楼宇、户外广告等等领域。工控机与一般家用及商用PC机相比，使用环境较为特殊，经常在高温、振动、粉尘、高电磁干扰、供电条件不好的环境中运行，并且大多是7€?4小时不间断连续运行的，因此对其稳定性及其连续工作的能力有着更高的要求，对其散热、防尘、防电磁干扰、防振等方面也有着与普通商用PC机不同的设计理念。本文主要通过采用solidworks flow simulation 流体仿真软件在工控机开发过程中来进行散热分析的实例，探讨在产品设计阶段计算机辅助工程（CAE）软件所起的显著作用。

2 SolidWorks Flow Simulation软件在产品开发中的作用

在电子产品的开发中，保证产品的热稳定性，使产品有更好的散热性能，能保证电子产品稳定长期的运行，延长电子产品的使用寿命。在以往的产品开发中，我们往往是先根据设计做出产品的样品，然后根据样品做各种热学试验，再针对试验结果做出修改，相对费时费力。现在随着计算机性能的大幅提高，采用多种多样的计算机辅助工程（CAE）软件可以在产品制造前预先发现潜在的问题来进行修正，由此可以缩短设计和分析的循环周期，从而达到降低成本，缩短产品上市周期的效果。利用Solidworks Flow Simulation 流体仿真软件进行某型号工控机散热的有限元分析，不需要做出产品的样品，直接利用设计模型采用虚拟样机的形式做热学仿真，来对产品的设计进行验证和改良，可以显著提高效率，降低成本，缩短产品上市周期。q　　Solidworks Flow Simulation软件是一款基于SolidWorks软件的计算流体力学软件，该软件与SolidWorks紧密集成，设计师在SolidWorks中设计的模型，可以直接用于流体仿真。该软件去除了计算流体力学的复杂性。您可以轻松快捷地仿真对成功设计至关重要的流体流动、传热和流体作用力，仿真真实条件下的流体和气体流动，运行“假设条件”情况，并快速分析浸润零部件或周围零部件上的流体流动、传热和相关作用力的影响。可以对设计变型进行比较以作出更好的决策，从而获得具有卓越性能的产品。

3 SolidWorks Flow Simulation软件进行散热分析的一般过程

下面我们以一款开发中的工控机为例，借助Solidworks Flow Simulation软件进行流体仿真，对产品进行散热分析。

首先，我们打开工控机模型，为了简化模型，我们将压缩风扇及其它复杂的特征，以节省计算时间。我们使用wizard（向导）来创建一个算例。按照下面的属性新建一个项目：　　下面我们指定材料给电子元件，右键单击input data下的solid materials 选择 insert solidworks material （插入固体材料）。把solidworks database里面的材料指定给电子元件。 PCB板我们指定为PCB 4-layers ，IC指定为gold ，散热器指定为aluminum ，电阻指定为silicon，电容指定为copper。任何未指定材料的部分我们视为insulator（绝热体）。　　接下来我们指定工控机的heat source （热源）。在没有边界条件也没有指定风扇的曲面上或是固体流体的介质中我们都可以指定heat source。在surface source中如果不考虑heat transfer in solids （固体中的传热），我们可以在固体曲面一heat transfer rate （传热率）和heat flux（热通量）的形式指定热源，如果考虑heat transfer in solids我们可以在固体曲面一heat generation rate （产热率）和surface heat generation rate （曲面产热率）的形式指定热源，在两种情况下正的代表产热，负的代表吸热。

在flow simulation 菜单中，右键单击算例名称并选择自定义树，然后选择heat source。

在flow simulation菜单中选择insert，surface source。右键单击heat sources图标，选择insert volume source（插入体积源）选择ic 在heat generation rate（产热率选项）中输入功率5w，ok确定，然后按照此步骤一次定义电阻、电容、CPU等的产热率。　　接下来我们定义fans风扇，在此我们为了节约计算时间，简化模型，设置一个虚拟风扇。

建立一个风扇，右键单击fans图标，选择insert fan 在type类型中，选着external inlet fan（外部入口风扇），选着工控机壳的后面为虚拟风扇入口，工控机壳两侧为散热排气口，在风扇的类型中我们选着fan curves风扇曲线，papst德国一家风扇制造商，dc-axial轴流直流电型风扇，series 400系列，405型号。对inlet flow parameters （入口流动参数）和（thermodynamic parameters）热力学参数保留默认值。　　单击RUN 系统将进行计算，分析散热结果。

我们可以看到产品的很多热学分析结果。产品的任何一个截面的温度分布图，产品的任何一个表面的温度分布图，空气在工控机的流动轨迹，热在产品内部的传导等，我们还可以看到solidworks flow simulation为我们显示的空气流动，热流动等的动画演示。　　可以看到产品IC的最大温度可以达到351开尔文，产品的热学性能符合要求。软件同时还会给出详细的结果报表，在此不一一详列。

由本实例可以看出，使用SolidWorks Flow Simulation软件，可以大大的缩短了设计后由于考虑流体及热方面因素所需的工时，显著降低了设计及生产成本。使用SolidWorks Flow Simulation软件进行散热分析的一般过程如下：

(1)使用SolidWorks 3D CAD软件设计产品模型。

(2)利用SolidWorks Flow Simulation软件打开产品模型，新建项目，设置参数。

(3)指定材料给产品各元件。

(4)指定产品的热源，定义各元件产热率，设置各参数。

(5)定义风扇，设置相关参数。

(6)定义工程目标，开始计算。

(7)根据分析报表修改设计。

4 结语

采用本软件进行工控机的散热分析，通过计算机辅助工程软件的虚拟现实分析功能，可以在设计阶段直接找出产品设计在散热特性方面存在的问题，从而加以改进，为后期加工工艺的制定和改进奠定更加精确和完善的基础。这样可以节约成本，加快产品设计周期，在工业设计领域必将得到广泛的应用，应用领域也不会局限于工控机设计领域。

参考文献：

[1]　陈超祥.Solidworks Flow Simulation高级教程(2011版)[M].北京:机械工业出版社,2011.

[2]　李大磊.Solidworks高级功能与工程应用[M].北京:北京邮电大学出版社.2009.