基于Creator/Vega的合成孔徑雷達(dá)圖像仿真*

孟獻(xiàn)軻 朱 峰

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所 南京 210007)

基于Creator/Vega的合成孔徑雷達(dá)圖像仿真*

孟獻(xiàn)軻 朱 峰

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所 南京 210007)

合成孔徑雷達(dá)(SAR)成像以飛機(jī)或衛(wèi)星為平臺,且以全天候,全天時(shí),可全透性等優(yōu)點(diǎn)獲取高分辨率圖像,已經(jīng)成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn),特別在軍事領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。論文研究了合成孔徑雷達(dá)成像仿真原理以及其成像仿真系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu),以及地形場景模型的構(gòu)建與RCS材質(zhì)映射,最后通過Vega中的RadarWorks模塊來模擬合成孔徑雷達(dá)成像仿真,通過設(shè)置合理的參數(shù),能夠較好的仿真出真實(shí)的合成孔徑雷達(dá)圖像。

Creator/Vega; 虛擬現(xiàn)實(shí); SAR; 成像

Class Number TN957

1 引言

合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Apertute Radar,SAR)成像以飛機(jī)或衛(wèi)星為平臺,且以全天候、全天時(shí)、可全透性等優(yōu)點(diǎn)獲取高分辨率圖像,已經(jīng)成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn),特別在軍事領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。隨著現(xiàn)代高科技技術(shù)的迅猛發(fā)展,雷達(dá)設(shè)備變得越來越復(fù)雜,獲取相關(guān)的實(shí)測數(shù)據(jù)的費(fèi)用也越來越高,試驗(yàn)周期也越來越長,從而要求對合成孔徑雷達(dá)(SAR)仿真圖像開展研究。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為其提供了良好的基礎(chǔ)。它采用計(jì)算機(jī)圖形圖像技術(shù),構(gòu)造仿真對象的三維模型并再現(xiàn)真實(shí)的環(huán)境,達(dá)到非常逼真的仿真效果[1],本文利用Multigen-Paradim公司的Creator與Vega軟件,對復(fù)雜環(huán)境進(jìn)行合成孔徑雷達(dá)(SAR)防真工作,為后續(xù)開展圖像為后續(xù)開展的圖像特征提取、識別等工作提供大量的素材,從而驗(yàn)證各類算法的有效性和實(shí)用性。

2 SAR成像仿真原理

SAR成像是一個(gè)回波信號處理的過程,即從機(jī)載或星載合成孔徑雷達(dá)發(fā)射天線發(fā)射出去的電磁波,經(jīng)目標(biāo)散射后回到合成孔徑雷達(dá)接收天線后進(jìn)行相應(yīng)的處理,運(yùn)用相應(yīng)的成像算法生成圖像[2]。它利用脈沖壓縮技術(shù)獲得高的距離向分辨率,利用合成孔徑原理獲得高的方位向分辨率,從而獲得大面積高分辨率雷達(dá)圖像[3]。雷達(dá)的距離分辨率由雷達(dá)發(fā)射信號帶寬決定,方位分辨率由雷達(dá)方位向的多譜勒帶寬決定。

影響SAR成像的主要系統(tǒng)參數(shù)有波長、脈沖重復(fù)周期、峰值發(fā)射功率、發(fā)射和接收的極化方式、脈沖寬度、側(cè)視角及飛行速度等。

2.1 SAR成像仿真系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

圖1完整表述了整個(gè)SAR成像過程的仿真框架原理圖[4],其整體結(jié)構(gòu)主要包括如下幾個(gè)部分:成像幾何計(jì)算模塊、場景生成模塊、原始數(shù)據(jù)產(chǎn)生模塊、圖像生成處理模塊。

圖1 SAR成像防真框架原理

根據(jù)圖1框架來進(jìn)行復(fù)雜環(huán)境的SAR圖像仿真運(yùn)行效率較低,且實(shí)時(shí)性也不能滿足要求。利用Multigen-Paradim公司的Creator/Vega軟件能高效快速生成仿真圖像,其防真流程主要通過Creator建模、紋理材料映射、Vega各模塊設(shè)置和SAR圖像幾個(gè)步驟完成[5],具體流程如圖2所示。

圖2 SAR圖像仿真流程

2.2 地形場景模型的構(gòu)建與RCS材質(zhì)映射

合成孔徑雷圖像仿真常見于大面積地形模型和各類復(fù)雜的地面文化特征模型構(gòu)成,其仿真效果的逼真度與仿真實(shí)時(shí)性關(guān)鍵在于合理地構(gòu)建地形模型與地面文化特征模型正確的RCS材質(zhì)映射。對于一定的地形范圍來說,建立好一個(gè)組織有序、效率很高的地形數(shù)據(jù)庫是一個(gè)需要反復(fù)測試的過程。在創(chuàng)建大面積的地形場景之前,可以先提取小部分原始DED(Digital Elevation Data)創(chuàng)建一個(gè)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(gè)地形模型數(shù)據(jù)庫,其具體流程如圖3所示。

在Vega中可以根據(jù)目標(biāo)模型的真實(shí)物理材質(zhì)屬性,快速生成灰度化的RCS圖像的整套機(jī)制。因?yàn)閂ega中產(chǎn)生的RCS圖像是基于真實(shí)物理材質(zhì)屬性的,因此可以模擬出較高真實(shí)度的雷達(dá)圖像。Vega軟件的數(shù)據(jù)庫提供了150多種材質(zhì)的RCS數(shù)據(jù)庫,在材質(zhì)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(yīng)不同RCS值。可以通過Vega自帶的工具Spabba來查看其每種材質(zhì)的RCS數(shù)據(jù)庫,并且可以對其修改和擴(kuò)展[6];利用Vega系統(tǒng)自帶的工具TMM(Texture Material Mapper),可以對模型中每一個(gè)紋理圖片中的texel賦予不同的材質(zhì),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(zhì),一些綠色賦予樹木。在雷達(dá)成像模擬過程中,場景的材質(zhì)屬性將取代紋理屬性,這樣生成的雷達(dá)圖像就比較真實(shí)[7]。其RCS數(shù)據(jù)庫獲取流程如圖4所示。

圖3 地形建模流程圖

圖4 RCS數(shù)據(jù)庫獲取流程

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

· 準(zhǔn)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(gè)測試地形數(shù)據(jù)庫,并進(jìn)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(jìn)行紋理映射,并添加地物模型。

· 檢驗(yàn)與優(yōu)化:在實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)中運(yùn)行,檢驗(yàn)其性能,包括每個(gè)細(xì)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(dá)到豐富的視覺效果。

3 Vega中SAR成像仿真

3.1 Vega中RadarWorks模塊

對于傳統(tǒng)的雷達(dá)系統(tǒng)仿真過程和結(jié)果都是以數(shù)學(xué)公式和大量的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出來,不但形式上不直觀,內(nèi)容上也枯燥,Vega提供了實(shí)時(shí)、高逼真的模擬雷達(dá)成像仿真,解決了這一問題[8]。

Vega中用于仿真雷達(dá)成像的模塊是RadarWorks,其原理是獲取仿真場景模型的材質(zhì)屬性(不同的金屬、沙子、木材等)來成像,這些材質(zhì)屬性在RadarWorks數(shù)據(jù)庫中都有對應(yīng)的RCS值,然后根據(jù)RCS值模擬雷達(dá)成像,從而生成逼真的雷達(dá)成像圖[9]。

3.2 RadarWorks參數(shù)設(shè)置

RadarWorks模塊主要模擬空對地類型的機(jī)載類雷達(dá)成像圖,RadarWorks模塊支持的雷達(dá)類型有三類,分別為:用于導(dǎo)航和確定目標(biāo)位置的地形測繪雷達(dá)(Real Beam Ground Mapping,RBGM)、多普勒波束銳化雷達(dá)(Doppler Beam Sharpening,DBS)以及合成陣列(孔徑)雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar,SAR);支持雷達(dá)發(fā)射脈沖頻率的范圍為1GHz～27GHz;支持同極化(VV和HH)和交叉極化方式(VH和HV),但不支持綜合極化方式;支持兩種分辨率;線性指定(Linear)和系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算(system parameters)[10]。通過設(shè)置合理的雷達(dá)工作參數(shù),就可以仿真出較為真實(shí)的SAR雷達(dá)圖像。可對SAR成像仿真產(chǎn)生主要影響的參數(shù)有:雷達(dá)平臺于仿真目標(biāo)間的距離、工作頻率、飛行速度等。

圖5～圖8為工作頻段和極化參數(shù)在不同設(shè)置情況下的SAR成像仿真。

1) 不同工作頻段的成像仿真:

圖5 L波段成像圖

圖6 X波段成像圖

2) 不同極化方式的成像仿真:

圖7 HH極化成像圖

圖8 VV極化成像圖

圖9、圖10為RadarWorks在實(shí)際中運(yùn)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:

圖9 城市場景圖

圖10 城市場景的RCS圖

4 結(jié)語

本文研究了合成孔徑雷達(dá)成像仿真原理以及其成像仿真系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu),然后通過Vega中的RadarWorks模塊來模擬合成孔徑雷達(dá)成像仿真,通過設(shè)置合理的參數(shù),能夠較好地仿真出真實(shí)的合成孔徑雷達(dá)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(jié)果,因此在合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)測試、評估等方面都有良好的輔助作用。

[1] 王正中.仿真學(xué)科的研究與思考[J].系統(tǒng)仿真技術(shù)及其應(yīng)用,2007(9):1-4.

[2] 唐婕,龔光紅.大面積真實(shí)地形場景庫的生成與普實(shí)時(shí)顯示技術(shù)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2006,8(18).

[3] 孫家廣,等.計(jì)算機(jī)圖形學(xué)[M].第三版.北京:清華大學(xué)出版社,1998:70-72.

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

[5] 朗代兵.全力保證三維數(shù)模的質(zhì)量[J].CAD/CAM與制造業(yè)信息化,2003(11):86-87.

[6] Skolnik M I. Radar handbook[M].北京:電子工業(yè)出版社,2003:12-14.

[7] Sensor Products Guide[M]. USA: Multigen2Paradigm Inc.,2000:51-52.

[8] Alfred J Menezes, Paul C van Orschot, Scott A Vanstore. Handbook of applied cryptography[M]. Beijing: Publishing House of Electronic Industry,2004:434-435.

[9] 劉永坦.雷達(dá)成像技術(shù)[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,1999:173-174.

[10] George. W. Stimson機(jī)載雷達(dá)導(dǎo)論[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005:38-39.

Image Simulation in SAR Based on Creator/Vega

MENG Xiangkuo ZHU Feng

(The 28th Reaseach Institude of China Electronics Technology Guoup Corporation, Nanjing 210007)

Synthetic Aperture Radar (SAR) imaging based on aircraft or satellite platform, can obtain high-resolution images through features such as with all-weather, all-time, full-permeable, which has become the research focus of world, especially in the military field. In this paper, synthetic aperture radar imaging principle and its imaging simulation system framework, as well as terrain scene model RCS’s construction and material mapping are studied, and finally the RadarWorks of Vega modules is used to simulate synthetic aperture radar imaging simulation, and by setting reasonable parameters, better simulation of real synthetic aperture radar images can be achieved.

Creator/Vega, virtual, SAR, imaging

2013年7月5日,

2013年8月21日

孟獻(xiàn)軻,男,工程師,研究方向:作戰(zhàn)指揮控制。朱峰,男,工程師,研究方向:作戰(zhàn)指揮控制。

TN957

10.3969/j.issn1672-9730.2014.01.028