基于Creator／Vega成像仿真在雷達系統(tǒng)中的研究＊

朱 峰 糜小兵

（中國電子科技集團公司第二十八研究所 南京 210007）

1 引言

在雷達系統(tǒng)仿真與評估的研究中，雷達系統(tǒng)視景的成像仿真則是其中一項重要技術［1］。該技術是基于虛擬現(xiàn)實技術開發(fā)的，在雷達系統(tǒng)越發(fā)復雜、設備成本越發(fā)高昂的今天，采用虛擬現(xiàn)實技術對雷達系統(tǒng)進行測試、訓練與研究，不但可以全面提高效率，也可以有效降低成本。實際上，實時、高逼真的成像仿真無論是軍用還是民用方面，都有廣泛的需求和巨大的應用前景。

由于雷達系統(tǒng)的視景模型有其自身特點，構建的模型涵蓋地形，地貌，人文景觀，覆蓋的地理區(qū)域范圍相當巨大，這樣導致模型生成的多邊形數(shù)量巨大，往往在百萬數(shù)量級，這對硬件提出很高的要求，同時也出現(xiàn)真實性與實時性的矛盾。

Multigen-Paradim公司的Creator與Vega軟件是目前在仿真成像領域應用較廣泛的商用軟件。本文利用了Creator構建防真所需模型以及Vega加載其模型的數(shù)據(jù)文件，并利用其LOD技術、Billbaords技術，以及RadarWorks模塊有效地化解了真實性與實時性的矛盾，并在PC圖形工作站上很好地完成了基于SAR模式的視景成像仿真。

2 大面積地形場景模型的構建

地面仿真場景由大面積地形模型以及地面文化特征模型構成，隨著仿真應用的向前發(fā)展，對地形逼真度與仿真實時性的要求也越來越高，但是，計算機的性能是不可能無限提高的。本文使用Creator3.0來構建模型，通過其獨創(chuàng)的用于描述三維虛擬場景的層次化數(shù)據(jù)結構—OpenFlight，以及節(jié)點式分層結構，在保證地形真實性的基礎上，有效地提高了仿真實時性。

2.1 地形建模流程

對于一定的地形范圍來說，建立好一個組織有序、效率很高的地形數(shù)據(jù)庫是一個需要反復測試的過程。在創(chuàng)建大面積的地形場景之前，我們可以先提取小部分原始DED（Digital Elevation Data）創(chuàng)建一個用來測試的數(shù)據(jù)樣本，待測試得到較好的效果后，再建立整個地形模型數(shù)據(jù)庫，其具體流程如圖1所示。

圖1 地形建模流程圖

·規(guī)劃數(shù)據(jù)庫：在確定仿真目標下，確定硬件和軟件相關平臺是否滿足要求。

·準備地形數(shù)據(jù)：獲取地形數(shù)據(jù)庫所需數(shù)據(jù)，將其處理為Creator能夠識別的數(shù)據(jù)。

·創(chuàng)建測試地形：利用小部分DED創(chuàng)建一個測試地形數(shù)據(jù)庫，并進行有針對性的測試。

·完善地形模型：選擇合適的紋理映射方式對地形模型進行紋理映射，并添加地物模型。

·檢驗與優(yōu)化：在實時仿真系統(tǒng)中運行，檢驗其性能，包括每個細節(jié)層次，確保相鄰的LOD之間可以平滑過渡。

·添加地形模型：在仿真系統(tǒng)資源允許的條件下，向地形模型數(shù)據(jù)庫添加地物模型來達到豐富的視覺效果。

2.2 細節(jié)層次LOD（Level Of Detail）技術

LOD技術的基本思想是：用具有多層次結構的物體集合描述場景，即場景中的物體具有多個模型，其模型間的區(qū)別在于細節(jié)的描述程度；在實時顯示時，用細節(jié)較簡單的物體模型適時地替代細節(jié)較復雜的模型，就可以減少場景的幾何復雜性，提高顯示速度［2］。

針對雷達場景的實際情況，在系統(tǒng)可以使用三個層次模型，即通過Creator的Insert LOD工具插入三個LOD開關距離，分別為1000、5000和10000m。為了消除層次轉換所帶來的跳變現(xiàn)象，層次轉換時必須有一個過渡轉換距離，這一點可以通過重疊相鄰LOD層次的小部分距離范圍實現(xiàn)。另外，Creator中的Morphing工具對物體頂點提供了路徑漸近變換功能，可以實現(xiàn)距離切換的平滑過渡［3］。

2.3 實例化技術

實例化（Instances）技術不同于復制技術，雖然也是實現(xiàn)模型的復制過程，但該技術所產生的模型并不占用內存資源，只是在內部引用被實例化模型。對原始模型所做的任何改動都將會影響其它所有實例化模型。實例技術通常與坐標轉移技術結合使用，Creator中的Create Instance工具和ManeuverTools工具分別用來生成和操作實例化模型。

在系統(tǒng)所有功能完成后，進行測試保證基本功能全部實現(xiàn)。其主要測試系統(tǒng)功能是否錯誤或者是否有遺漏、是否有數(shù)據(jù)結構或外部數(shù)據(jù)庫訪問錯誤、性能是否能夠接受等。本研究對開發(fā)的系統(tǒng)采取了黑盒測試。測試顯示社區(qū)門診服務系統(tǒng)三個流程基本都能實現(xiàn)。本社區(qū)門診系統(tǒng)中病人不需要做任何操作，非常方便，掛號員醫(yī)生和收費員得操作也不是特別復雜，只需要選者相應的數(shù)據(jù)即可。操作簡單，功能齊全，對幫助人們在社區(qū)就診系統(tǒng)的效率提升和看病體驗有積極作用。

2.4 Billboards（公告牌）技術

Creator中的Billboards是指模型數(shù)據(jù)庫中那些可以在實時仿真過程中始終保持面對視點的多邊形。公告牌技術通常用來構建場景中的樹木，路燈等模型，或者場景中其它類似的具有對稱性的物體，甚至可以用于一個多邊形來表現(xiàn)具有大量細節(jié)的模型對象［4］。

2.5 大場景的紋理映射技術

紋理映射技術極大的增強了模型的真實感。紋理圖案包含的信息量往往需要數(shù)量龐大的多邊形來實現(xiàn)，而多邊形的數(shù)量又是影響系統(tǒng)實時性的關鍵因素。視景系統(tǒng)中對大面積地形模型使用紋理映射保證了真實性和實時性［5］。

Mipmap是目前應用最廣的紋理映射技術之一，是紋理裁減所基于的關鍵概念。Mipmap技術是將原始紋理圖像表達為具有不同分辨率的紋理數(shù)據(jù)，形成一個逐漸減少分辨率的圖像金字塔，也就是紋理的LOD，具有低分辨率的圖像每邊為高一級分辨率圖像每邊的1／2［6］。

3 Vega中SAR成像仿真

3.1 SAR成像研究

雷達成像的最基本目的是對目標的顯示、分類與識別。常見的光學成像是利用目標對陽光的反射成像，然而雷達是主動向目標發(fā)射電磁波，利用接收到的目標的反射回波成像。由于雷達成像的主動性，不受光照等影響，因此具有全天時成像的特點，又因為微波具有強透射性，無論云、霧或雨都對微波無嚴重影響，所以雷達成像具有全天候的特點［7］，在軍事方面獲得了廣泛的應用，民用方面也具有廣闊的市場。SAR是一種獲得高分辨率圖像的雷達模式，它利用脈沖壓縮技術獲得良好的距離分辨率，利用合成孔徑原理獲得很高的方位向分辨率，從而獲得大面積高分辨率雷達圖像，SAR集中體現(xiàn)了雷達技術的進步［8］。

3.2 Vega中RadarWorks模塊

Vega中提供了用于模擬雷達成像的RadarWorks模塊，它是基于在建模過程中，給模型貼上不同的材質屬性，這些材質屬性都對應一個統(tǒng)計的RCS值，其RadarWorks模塊根據(jù)模型的RCS值模擬出雷達成像結果。

3.3 RCS的獲取

在Vega中可以根據(jù)目標模型的真實物理材質屬性，快速生成灰度化的RCS圖像的整套機制。

因為Vega中產生的RCS圖像是基于真實物理材質屬性的，因此可以模擬出較高的真實度的雷達圖像。在Vega軟件的數(shù)據(jù)庫中，提供了150多種材質的RCS數(shù)據(jù)庫，在材質數(shù)據(jù)庫中，不同的工作頻段，不同的極化方試，不同的入射角都對應不同RCS值。可以通過Vega自帶的工具Spabba來查看其每種材質的RCS數(shù)據(jù)庫，并且可以對其修改和擴展［9］。

2）材質映射

利用Vega系統(tǒng)自帶的工具TMM（Texture Material Mapper），可以對模型中每一個紋理圖片中的texel賦予不同的材質。比如，在一塊模型場景中，對其中的一些綠色場景賦予草地材質，一些綠色賦予樹木，在雷達成像模擬過程中，場景的材質屬性將取代紋理屬性，這樣生成的雷達圖像就比較真實［10］。

3）RCS數(shù)據(jù)庫獲取流程

圖2 RCS數(shù)據(jù)庫獲取流程

3.4 RadarWorks參數(shù)設置

RadarWorks模塊支持的雷達類型包括：RBGM（Real Beam Ground Mapping），DBS（Doppler Beam Shorpening），SAR；可以模擬VV，VH，HV，HH四種極化方式；支持的雷達工作頻率范圍在1GHz～27GHz；可以根據(jù)PRF（Pulse Repetitions Frequency）等參數(shù)計算成像分辨率，可以對地形和人文要素的雷達RCS進行實時計算。

通過設置合理的雷達工作參數(shù)，就可以仿真出較為真實的SAR雷達圖像。可對SAR成像仿真產生主要影響的參數(shù)有：雷達平臺于仿真目標間的距離，工作頻率，飛行速度等。

下面將給出工作頻段和極化參數(shù)在不同設置情況下的SAR成像仿真。

1）不同工作頻段的成像仿真：

圖3 L波段成像圖

圖4 X波段成像圖

2）不同極化方式的成像仿真：

圖5 HH極化成像圖

圖6 VV極化成像圖

下面給出RadarWorks在實際中運用的效果圖，其中參數(shù)是以C工作頻段，VV極化方式，10°入射角，SAR平臺與場景中心距離為5000m，對城市場景的防真圖：

圖7 城市場景圖

圖8 城市場景的RCS圖

4 結語

本文研究了基于Creator建模的相關技術和流程，把構建的模型導入Vega中，然后通過Vega中的RadarWorks模塊來模擬雷達成像仿真，通過設置合理的參數(shù)，能夠較好的仿真出真實的雷達圖像。該方法能夠方便有效地修改參數(shù)，并且在修改之后能夠很快看到修改后的結果，因此在雷達系統(tǒng)測試、評估等方面都有良好的輔助作用。

［1］翟尚禮，王勝文.對空雷達終端發(fā)展及其關鍵技術［J］.指揮信息系統(tǒng)與技術，2011，6（3）：78-80.

［2］唐婕，龔光紅.大面積真實地形場景庫的生成與實時顯示技術［J］.系統(tǒng)仿真學報，2006，8（18）：461-464.

［3］孫家廣等.計算機圖形學［M］.第三版.北京：清華大學出版社，1998：270-272.

［4］王乘，李利軍等.Creator可視化仿真建模技術［M］.武漢：華中科技大學出版社，2005：93-95.

［5］吳曉君，王昌金.基于Creator／Vega的戰(zhàn)場飛行視景系統(tǒng)的實時仿真［J］.系統(tǒng)仿真學報，2005，2（9）：254-257.

［6］Alfred J Menezes，Paul C van Orschot，Scott A Vanstore.應用密碼學手冊［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2004：434-435.

［7］劉永坦.雷達成像技術［M］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，1999：73-74.

［8］George.W.Stimson.機載雷達導論［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2005：138-139.

［9］Merrill I，Skolnik.雷達手冊［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2003：12-14.

［10］龔卓蓉.Vega程序設計［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2002：51-58.