復(fù)雜電磁環(huán)境下GIS在雷達(dá)探測(cè)分析中的應(yīng)用研究

吉林省軍區(qū) 劉英敏

南方航空公司吉林分公司 劉鶴銘

吉林省武警總隊(duì) 肖 瀟

1.引言

地理信息系統(tǒng)（GIS）是一種利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，對(duì)整個(gè)或部分地球表層（包括大氣層）空間中的有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、管理、運(yùn)算、分析、顯示和描述的技術(shù)系統(tǒng)[1]。在雷達(dá)探測(cè)分析中，地理環(huán)境一直是影響雷達(dá)性能發(fā)揮的重要因素，尤其是在電磁環(huán)境正變得日益復(fù)雜情況下，如何通過(guò)GIS、模式識(shí)別、機(jī)器學(xué)習(xí)等高新技術(shù)的集成應(yīng)用，提高雷達(dá)的整體探測(cè)能力正變得日益迫切。本文結(jié)合應(yīng)用GIS技術(shù)進(jìn)行雷達(dá)探測(cè)輔助分析中的一些具體實(shí)踐，介紹GIS在雷達(dá)探測(cè)分析中的三種具體應(yīng)用。

2.GIS在雷達(dá)探測(cè)分析中應(yīng)用

2.1 GIS在地物目標(biāo)識(shí)別中的應(yīng)用

目標(biāo)識(shí)別是利用雷達(dá)回波中的幅度、相位、頻譜和極化等目標(biāo)特征信息，通過(guò)數(shù)學(xué)上的各種多維空間變換來(lái)估算目標(biāo)的大小、形狀、重量和表面層的物理特性參數(shù)，最后根據(jù)大量訓(xùn)練樣本所確定的鑒別函數(shù)，進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別和分類的一種技術(shù)[1]。目標(biāo)識(shí)別是雷達(dá)應(yīng)用領(lǐng)域的重要研究?jī)?nèi)容之一，無(wú)論在民用還是軍事領(lǐng)域都具有極高的應(yīng)用價(jià)值。但由于雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別要通過(guò)回波特性分析目標(biāo)屬性，涉及多學(xué)科的交叉應(yīng)用，尤其是多干擾源復(fù)雜電磁環(huán)境和虛假、偽裝目標(biāo)的存在，使雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別問(wèn)題一直是國(guó)內(nèi)外研究的難點(diǎn)。為了正確地識(shí)別雷達(dá)圖像中的地物目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)圖像的有效判讀，研究人員一直在試圖尋找各種地物目標(biāo)在雷達(dá)圖像中的顯示特征，以便利用這些顯示特征從雷達(dá)圖像中提取目標(biāo)信息[3]。

目標(biāo)識(shí)別過(guò)程主要分三個(gè)步驟：目標(biāo)數(shù)據(jù)的獲取、特征提取和目標(biāo)分類，其中特征提取和目標(biāo)分類是最重要的兩項(xiàng)技術(shù)，直接影響目標(biāo)識(shí)別的精度和準(zhǔn)確度。隨著GIS技術(shù)的日益成熟與發(fā)展，包含詳盡地理信息的地圖數(shù)據(jù)庫(kù)普遍建立，我們可以通過(guò)將地物目標(biāo)雷達(dá)圖像與地圖數(shù)據(jù)庫(kù)中相應(yīng)精確地理位置的地物相互對(duì)照，從而得到這種地物在雷達(dá)圖像中的顯示特征，進(jìn)而建立雷達(dá)圖像顯示特征與相應(yīng)地物的匹配數(shù)據(jù)庫(kù)。匹配數(shù)據(jù)庫(kù)的建立，不但可用于修正現(xiàn)有目標(biāo)識(shí)別數(shù)學(xué)模型；而且在目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別方面，可快速實(shí)現(xiàn)雷達(dá)圖像特征與地物的自動(dòng)匹配，為判讀人員提供強(qiáng)有力的輔助決策支持。在節(jié)省大量時(shí)間、精力的同時(shí)，也提高了目標(biāo)識(shí)別的精度和準(zhǔn)確度。雷達(dá)圖像匹配數(shù)據(jù)庫(kù)建立框圖如圖1所示。

圖1 雷達(dá)圖像特征與地理要素匹配數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

2.2 GIS在雷達(dá)散射特性分析方面的應(yīng)用

地球表面的地形地物是影響雷達(dá)電磁波傳播距離，電磁波散射、衰減的重要因素。地形的起伏，可以遮蔽電磁波的傳輸，造成雷達(dá)探測(cè)的“盲區(qū)”；地球表面水質(zhì)含鹽量不同，地表粗糙度，土質(zhì)含水量的不同在雷達(dá)電磁波的反射中具有不同的散射特性；不同的植被對(duì)電磁波的衰減也會(huì)有不同影響。在GIS的地圖數(shù)據(jù)庫(kù)中，不但包含有地形的精確高程和地理要素的精確地理坐標(biāo)，同時(shí)對(duì)每一種地理要素的類別、屬性都以主碼、識(shí)別碼、描述碼、參數(shù)碼的形式加以了詳細(xì)描述。例如在1：25萬(wàn)地圖數(shù)據(jù)庫(kù)中，植被圖層不但可以知道植被的稀疏、高矮，還可以精確地知道是草地還是水稻，是杏樹、梨樹還是橡膠樹；土質(zhì)圖層不但詳細(xì)說(shuō)明了土質(zhì)是石塊地、鹽堿地還是沙地，同時(shí)標(biāo)明了沙地表面形狀是平沙地、波狀沙地還是窩狀沙地。這就為我們精確研究不同植被對(duì)雷達(dá)電磁波的衰減，不同地理要素對(duì)雷達(dá)電磁波的散射影響提供了大量詳實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

下面我們以1：25萬(wàn)地圖數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，談一下建立雷達(dá)散射特性分析數(shù)據(jù)模型的具體過(guò)程。

1、根據(jù)所用雷達(dá)的具體性能，確定影響雷達(dá)散射特性地理要素分類的具體范圍，并為其編碼。以一般雷達(dá)為例，影響雷達(dá)散射特性地理要素可分為海、河、巖石地、干地、樹林、鐵路、沖溝等共16類，我們?yōu)槊款惖乩硪刈远x唯一對(duì)應(yīng)的雷達(dá)散射特性編碼（比如海：1100，河：1200，巖石地：2100，鐵路：5100等）。

2、根據(jù)上一步中確定的影響雷達(dá)散射特性的地理要素分類，把地圖數(shù)據(jù)庫(kù)中地理要素重新分類、歸納，并建立一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。比如在1：25萬(wàn)地圖數(shù)據(jù)庫(kù)中，主碼為90、識(shí)別碼為200、201、203的地理要素分別代表標(biāo)準(zhǔn)軌復(fù)線、標(biāo)準(zhǔn)軌單線和標(biāo)準(zhǔn)軌窄線三種鐵路，我們都將其歸為影響雷達(dá)散射特性的地理要素中“鐵路”一類，雷達(dá)散射特性編碼定義為5100。應(yīng)用該方法，建立雷達(dá)散射特性編碼文件如表1所示。

表1 雷達(dá)散射特性編碼文件

3、編寫程序，按雷達(dá)散射特性編碼文件確定的規(guī)則，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中所有圖幅水系、土質(zhì)、植被、交通、居民地、地貌等圖層進(jìn)行遍歷，生成柵格形式的雷達(dá)散射特性分析文件，文件格式如表2所示。

表2 雷達(dá)散射特性分析文件

我們可以在以上生成的雷達(dá)散射特性分析文件基礎(chǔ)上，根據(jù)需求建立更精細(xì)的地表要素特征分類，研究電磁波和地表粗糙面相互作用的散射信號(hào)所反映出的地表粗糙面信息的分形特征，來(lái)提取和反演地海面相關(guān)特征參數(shù)。同時(shí)根據(jù)雷達(dá)回波中由于不同地理要素衰減、散射特性不同所造成的不同雜散回波，把特定的雜散回波與特定的地表地理要素對(duì)應(yīng)起來(lái)，從而有助于對(duì)目標(biāo)特征進(jìn)行更深入了解，更精確地完成目標(biāo)的檢測(cè)和識(shí)別。在計(jì)算機(jī)中我們還可以結(jié)合雷達(dá)性能參數(shù)，以數(shù)據(jù)庫(kù)中精確的地面高程數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，模擬出特定雷達(dá)在一定區(qū)域中的傳播距離，以及由于地形起伏所造成的探測(cè)中的“盲區(qū)”。

2.3 GIS在雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)測(cè)試中的應(yīng)用

雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)的研制過(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，對(duì)于新研制的系統(tǒng)要在各種不同的自然環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以估計(jì)研制中的系統(tǒng)適應(yīng)各種環(huán)境的能力以及在各種環(huán)境中系統(tǒng)的性能參數(shù)。但由于資金和地域的限制，我們不可能在各種自然環(huán)境中實(shí)地對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行測(cè)試。一種較好的解決辦法是在計(jì)算機(jī)中對(duì)自然環(huán)境進(jìn)行模擬，結(jié)合雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)性能參數(shù)建立模型，以達(dá)到對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)的目的。

由于用分形理論來(lái)分析地海面的自然特征逼近現(xiàn)實(shí)，同時(shí)用分形方法研究電磁散射的理論結(jié)果和實(shí)驗(yàn)有較好的一致性[4]，所以我們以GIS中大量的地理空間數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)結(jié)合大氣空間數(shù)據(jù)建立綜合環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)。在GIS中應(yīng)用綜合環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)用分形理論來(lái)建立特定時(shí)間、特定地域的自然特征模型，輸入雷達(dá)性能參數(shù)，來(lái)檢驗(yàn)雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)在各種自然環(huán)境中適應(yīng)能力及性能指標(biāo)。從而既達(dá)到了檢測(cè)雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)的目的，又節(jié)約了大量的人力、物力。

3.結(jié)語(yǔ)

復(fù)雜電磁環(huán)境以其獨(dú)特的形式和作用機(jī)理給雷達(dá)探測(cè)分析帶來(lái)了不容置疑的影響與變革。采用多種新技術(shù)的“集成”應(yīng)用，減弱復(fù)雜電磁環(huán)境對(duì)探測(cè)準(zhǔn)確性和精度的影響，提高裝備的穩(wěn)定性與工作效能，是提高雷達(dá)探測(cè)能力的一種有效途徑。隨著GIS技術(shù)的不斷發(fā)展，其在雷達(dá)探測(cè)領(lǐng)域必將發(fā)揮更大的作用。

[1]張新生,張英海,毛謙等.百度百科.科普中國(guó).科學(xué)百科,2018(03).

[2]劉本永.一種利用相位信息的雷達(dá)目標(biāo)成像識(shí)別方法[J].電子科學(xué)期刊,2016(2):274-278.

[3]張守融.細(xì)長(zhǎng)導(dǎo)體目標(biāo)的雷達(dá)圖像特征[J].電子科學(xué)期刊,2010(04):613-617.

[4]康士峰.拋物型波方程方法研究復(fù)雜環(huán)境對(duì)雷達(dá)和通信傳播的影響[J].電子學(xué)報(bào),2010(06):68-70.