可程控遙感數據動態采集下臨空高速目標探測系統設計

尚 暉

(浙江工貿職業技術學院人工智能學院，浙江 溫州 325000)

0 引言

遙感數據是指遙感影像所表達出的物理信息，根據地物電磁波頻率的不同，可分為航空影像數據、衛星影像數據兩類?？芍苯佑糜谟嬎銠C處理的遙感數據必須來源于數字圖像，而通過攝影等方式獲取的遙感數據，必須在圖像掃描儀的作用下，將模型化的信息參量轉換為數字化的信息參量后，才可輸入進遙感影像控制主機中[1]。一般情況下，以掃描方式獲取的遙感數據不能得到系統主機的直接識別與存儲，而是需要在數字計算機的作用下，先將節點中包含的信息參量釋放到通用載體之上，才能按照CCT讀寫程序進行后續的數據轉錄與譯碼。與其它動態信息采集手段相比，遙感數據識別可接收計算機主機的遠程識別與控制，隨著信息化系統處理環境的不斷完善，遙感數據主體中待校正的信息節點數量也會逐漸增加[2-3]。

在臨空飛行環境中，隨高速運動目標節點數量的增加，已存儲信息會出現明顯的跨域調度問題，從而導致目標節點的探測時效性大幅下降。傳統HDFS型節點探測系統的時域脈沖傳輸信道相對較寬，且對于高速目標節點的定位完全取決于待探測信號所處的外界應用環境。然而隨著遙感脈沖波輻射周期的延長，一部分節點耦合信號可能會傳輸至接收天線的前方或后方，從而導致臨空高速目標數據在單位時間內的存儲實值快速下降，造成信息跨域調度速率的持續降低。為解決上述問題，引入可程控遙感數據動態采集技術，在數據聚化層、MongoDB數據庫等多項軟硬件執行設備的支持下，設計一種新型的臨空高速目標探測系統，并通過對比實驗的方式，突出說明該系統的實際應用能力。

1 可程控遙感數據動態采集下的目標探測系統應用框架

可程控遙感數據動態采集下的目標探測系統應用框架由物理設備層、數據聚化層、應用接口層3部分組成，具體搭建方法如下。

1.1 物理設備層

臨空高速目標探測系統的物理設備層由外圍目標探測設備、目標節點接入設備、分布式服務器群3類應用結構共同組成。其中，分布式服務器群是整個系統應用框架的物理服務基礎，可為目標探測指令的實施提供存儲資源、計算資源等基礎性的應用信息參量。在遙感數據接入節點、動態采集節點、可程控操作節點的同步作用下，與臨空高速目標相關的節點組織會快速與分布式服務器群建交，在遙感數據進程同時部署的情況下，所有目標信息同時開始由輸入端到輸出端的傳輸行為，直至所有目標節點組織全部達到理想化的設備接入狀態[4]。外圍目標探測設備與目標節點接入設備同時附屬于物理設備層外表面，前者能夠為目標探測系統提供可程控遙感數據傳輸所必須的節點應用資源，通常保持分布狀的物理連接形式；后者則具備較強的信息采集能力，在確保臨空高速目標所處節點位置不發生改變的情況下，該設備結構體可快速建立與系統動態采集節點的連接，并從中獲取與動態采集行為相關的可程控遙感數據參量[5]。

圖1 物理設備層實際應用結構

1.2 數據聚化層

在可程控遙感數據動態采集框架中，所有管理調度行為都必須保持廣義化的執行狀態，即系統應用行為必須以臨空高速目標數據收集為目標。當系統內部形成獨立的集群組織后，分布式服務器可自動開啟與系統主機間的定向連接，再借助已接入目標節點，將所有待采集信息整合到動態采集節點中，也就是傳統認知上的遙感數據資源聚化性應用[6-7]。基礎探測設施的抽象化，是指針對一類臨空高速目標節點進行應用化表達，按照網絡設施、硬件設施、軟件設施等基礎資源定義形式的不同，可將所有可程控遙感數據封裝在不同的動態采集空間內，從而實現由返回值到抽象值的表達與轉化。在數據聚化層處理主機中，返回值類型屬于boolean的節點信息常與探測節點的釋放行為相關，具體處置應用原理如表1所示。

表1 數據聚化層中的目標信息抽象方法

1.3 應用接口層

應用接口層是可程控遙感數據動態采集框架向系統用戶提供的訪問接口，包括應用服務接口、應用集成接口、框架管理接口3類。

1)應用服務接口，由集成在可程控遙感數據動態采集框架上運行的分布式存儲和目標探測框架自身提供的服務型應用接口，包括信息發布接口、節點訪問接口、指令編程接口等多種處理形式，接口的形式主要包括節點化接口、信息傳輸接口兩種[8]。

2)應用集成接口，用于實現臨空高速目標探測系統和分布式服務器群等節點信息應用在可程控遙感數據動態采集框架上的集成，由目標探測信息封裝接口和遙感數據調度器接口構成。目標探測信息封裝接口將數據信息按照其所屬的應用類型進行劃分；遙感數據調度器接口按照節點應用類型對應的調度器類型進行處理。當兩種接口都實現連接后，就可以將臨空高速目標數據部署到服務節點上，并在物理設備層中對主機對象進行注冊，從而將待探測數據信息集成到可程控遙感數據動態采集框架中[9]。

3)框架管理接口，用于對可程控遙感數據動態采集框架運行狀況進行監控和管理，以指令形式提供給下級探測主機，具體指令定義形式如表2所示。

表2 應用接口層管理命令

2 臨空高速目標數據存儲模塊

在目標探測系統應用框架的支持下，按照可程控遙感數據的動態采集處理需求，完成臨空高速目標數據存儲模塊的搭建與應用。

2.1 MongoDB數據庫架構

MongoDB數據庫提供基于可程控遙感數據動態采集機制的信息處理服務，通過路由模塊實現對臨空高速目標節點的自動分片規劃。探測系統需要容量擴展時，主機只需添加新的數據分片組織即可，當集群并入數據節點后，系統路由進程自動開啟連接，并通過多次實質性的分片組織協調與規劃，實現數據聚化層設備與應用接口層設備的應用連接[10]。一個完整的MongoDB數據庫體系中至少包含6個完全獨立的Server主機，且每個主機中都具備一個Mongod shard設備、一個Mongos存儲芯片或一個Conhig應用裝置。其中，Mongod shard設備主要用于存儲與可程控遙感數據相關的應用信息，在理想化的架構體系中，11、12、13號主機分屬于第一級服務器領域，21、22、23號主機分屬于第二級服務器領域，前者負責臨空高速目標信息的第一次存儲，后者負責對已存儲臨空高速目標信息的二次記錄。Mongos存儲芯片與Conhig應用裝置的執行能力基本完全相同，前者被分配于第一級服務器領域，可對臨空高速目標節點內的數據信息進行初步的備份處理；后者被分配于第二級服務器領域，在存儲臨空高速目標信息的同時，履行與可程控遙感數據動態采集相關的應用執行指令。

圖2 MongoDB數據庫架構體系

2.2 MysQL數據庫表結構

系統最核心的表應用結構包含數據源表、信息模板表、數據源映射表、屬性項表、屬性組表5張表。數據源表記錄了與系統動態采集指令相關的可程控遙感數據；信息模板表可遵照系統探測目標的指定行為，將臨空高速目標信息分割成多個應用結構體；數據源映射表可檢驗系統探測信息所屬的包含位置，并建立MysQL數據庫與其它系統應用結構之間的指向性連接關系；屬性項表位于MysQL數據庫表最底層，能夠直接感知臨空高速目標探測信息的實際引用行為；屬性組表能夠感知系統內部的探測目標指定行為，并生成大量符合MongoDB數據庫存儲需求的臨空高速目標信息參量[11-12]。具體ER圖如圖3所示，可程控遙感數據源表常與臨空高速目標信息模板保持多對一的應用關系，即每個數據源只能采集一個目標信息模板，而一個目標信息模板會被應用到多個數據源結構體之中。一般來說，在MysQL數據庫組織中，臨空高速目標屬性項只能與屬性組保持單向化的對應關系，即每條動態采集映射關系下，只能存在一項保持獨立狀態的可程控遙感數據信息。

圖3 MysQL數據庫ER圖

2.3 目標數據存儲模型

目標數據存儲模型會記錄MongoDB數據庫中的所有臨空高速目標信息應用形式，再根據動態采集指令的輸出形式，判斷現有的可程控遙感數據是否能滿足系統的實際探測處理需求[13]。隨系統中累積可程控遙感數據總量的增加，動態采集指令的實際實施空間也會逐漸擴大，直至MysQL數據庫表中5類表單結構體的存儲實值全部達到理想化數值水平。設v代表與臨空高速目標實際行進速率相關的運動位移系數，w′代表可程控遙感數據的動態采集轉碼常量，在一個完整的系統探測周期內，臨空高速目標信息的物理存儲量越大，數據庫所面臨的執行壓力也就越大，當該數值超過理想化限定標準后，現有數據存儲模式可能會被打破，從而造成目標數據跨域調度速率的持續性下降。為避免上述情況的發生，規定H代表單位時間內臨空高速目標信息的理想化存儲實值，聯立系數v與w′，可將探測系統的目標數據存儲模型定義為：

(1)

3 待探測臨空高速目標的信號源分析

在確保臨空高速目標數據處于可靠存儲狀態的情況下，按照最大探測距離計算、目標探測參數設計、脈沖函數表達式定義的處理流程，實現對待探測臨空高速目標信號源的分析與應用。

3.1 最大探測距離

臨空高速目標信號源的最大探測距離確定，必須取決于如下幾類指標參量。采集路徑中的總損耗量包括信號源損耗、脈沖損耗和節點反射損耗[14]。由于臨空高速目標信號源脈沖行為相對較為復雜，在實際應用過程中，很難對其進行精準的測量與計算。因此，在實施探測處理前必須先對其進行初步的估測運算，并根據最終數值結果做出一定的數值預留。HDFS型節點探測系統的信號源節點脈沖頻域環境相對較為復雜，各待測目標也基本分布在遠距離的信號采集區域中，通常情況下，實際探測距離與脈沖損耗行為的4次方成正比，而由于可程控遙感數據信息的存在，探測系統中時域脈沖信號的媒質損耗量不能被完全忽略，因此在既定的近景采集環境中(如可程控遙感數據的動態采集區域)，系統的最大探測距離始終受到臨空高速目標信號脈沖采集波長的直接影響[15]。設G1、G2、…、Gn分別代表n個不同的臨空高速目標信號源脈沖波長，Ln代表第n個可程控遙感數據動態采集節點的位置信息，聯立公式(1)，可將臨空高速目標信號源的最大探測距離表示為：

(2)

3.2 目標探測參數設計

在可程控遙感數據動態采集下臨空高速目標探測系統中，已發射脈沖信號源的參數由重復頻率、幅度、脈寬等幾大類共同組成，它們并不能保持完全獨立的存在狀態，通常情況下，一個參數物理實值的改變，會使其它參數的表現數值量隨之發生改變，有時這種協調制約行為可能是相互矛盾的，因此在實施可程控遙感數據動態采集指令時，需要對各項參數指標進行綜合考慮。當選定一種臨空高速目標信號源后，由于脈沖波輸入功率值始終受限，在理想化狀態下，輸出功耗的最大物理限度值也就只能以固定參數的形式存在，大多數脈沖波的峰值功率都遠遠超過這個已被定義的功耗極限值[16]。規定Vmax代表臨空高速目標信號源的最大輸入功率值，聯立公式(2)，可將基于可程控遙感數據動態采集原理的目標探測參數表示為：

(3)

式中，f代表已發射脈沖信號源的幅度實值，d代表已發射脈沖信號源的脈寬實值，ξ代表已發射脈沖信號源的固定重復頻率。

3.3 脈沖函數表達式

動態采集形式的探測脈沖只能借助物理設備層接口向外輸出，成為臨空高速目標探測系統中的常用輸出脈沖形式。在MysQL數據庫表的支持下，根據被探測目標所處位置及運動方式，若探測脈沖時域信號源波形存在定向更改的可能，則改變信號頻譜的能量分布，就成為了調整臨空高速目標特征形態的必要處理手段。一般來說，為使信號動態采集組織處獲得更強的可程控遙感數據信息，這些參量在脈沖頻譜上基本一直屬于不同的數值范圍區間[17]。

圖4 探測脈沖信號的輸出波長

規定在可程控遙感數據動態采集技術的支持下，臨空高速目標探測脈沖信號的輸出波長a只具備0.5 ns、1.0 ns、2.0 ns三種表現形式，t代表既定信號采集時長，聯立公式(3)，可將臨空高速目標探測系統的脈沖函數表達式定義為：

(4)

4 實驗分析

由于在頻域上可以將可程控遙感數據動態采集波隔離，臨空高速目標的跨域調度速率探測，可在非微波暗室的環境下進行，因此可直接在實驗室普通環境中完成實驗。為接收到更為可靠的臨空高速行進主機脈沖信號，選擇與應用接口層連通形式完全相同的收發天線，如圖5所示，以使接收到的信號波形拖尾始終處于較小數值狀態，以免探測目標數據信息時，入射信號波長與反射信號波長產生較大誤差。在整個實驗過程中，探測信號接收天線的極化形式與臨空高速行進主機的極化形式完全匹配，始終保持垂直的極化傳輸狀態。

圖5 探測系統的信號收發天線

如圖6(1)所示，為臨空高速目標探測信號的轉臺控制器，為實現對待探測目標信號的自動控制，需要借助可程控遙感主機對接收信號進行處理，在不出現突發行為的情況下，轉臺始終可按照應用指令的約束需求進行轉動，具體角度精確值可達0.10。圖6(2)為接收探測脈沖信號的示波器結構，其型號為Lecroy Wavepro760Zi，實時帶寬最大值可達8 GHz，能夠滿足實驗的應用檢測要求。

圖6 探測儀器與設備

將實驗組、對照組探測儀器同時與信號收發裝置相連，在相同實驗環境下，記錄已存儲目標數據跨域調度速率、單位時間內信息存儲值的實際變化情況，其中實驗組主機搭載可程控遙感數據動態采集下的臨空高速目標探測系統，對照組主機搭載傳統HDFS型節點探測系統。

通常情況下，臨空高速目標數據跨域調度速率數值始終呈現類圈狀變化趨勢，隨實驗時間的延長，最終所呈現數值圈的覆蓋面積也就越大。圖7反應映實驗組、對照組臨空高速目標數據跨域調度速率數值的具體數值變化情況。

圖7 已存儲目標數據跨域調度速率對比圖

圖7中最小圓環對應的調度速率數值為1.0×107T/s、最大圓環對應的調度速率數值為11.0×107T/s，相鄰兩個圓環之間的物理差值為1.0×107T/s。分析圖7可知，在相同實驗環境下，實驗組臨空高速目標數據跨域調度速率數值的類圈狀曲線覆蓋面積更大，最大數值水平達到10.0×107T/s；對照組臨空高速目標數據跨域調度速率數值的類圈狀曲線覆蓋面積更小，最大值僅能達到5.7×107T/s，遠低于實驗組數值水平。

表3記錄了實驗組、對照組臨空高速目標信息存儲值在單位時間內的實際變化情況(規定15 min作為一個單位探測時長)。

表3 單位時間內的目標信息存儲值對比表

分析表3可知，實驗組臨空高速目標信息存儲值在單位時間內的變化趨勢，始終保持階梯型狀態，且單數實驗組別的數值水平始終大于雙數實驗組別的數值水平，全局最小值可達到4.1×107T。對照組臨空高速目標信息存儲值在單位時間內的變化趨勢，基本保持先上升、再下降、最后穩定的狀態，全局最小值僅能達到3.1×107T，與實驗組最小值相比，下降了1.0×107T，全局最大值達到5.7×107T，與實驗組最大值7.7×107T相比，下降了2.0×107T。

綜上可知，在相同實驗環境中，隨著可程控遙感數據動態采集下探測系統的應用，臨空高速目標數據跨域調度速率、單位時間內的目標信息存儲值均出現明顯上升的變化趨勢，解決了與目標節點探測相關的實際應用問題，也使得臨空高速目標數據的跨域存儲與調度情況得到明顯好轉。

5 結束語

與傳統HDFS型節點探測系統相比，可程控遙感數據動態采集下目標探測系統從物理設備層、數據聚化層、應用接口層3個角度，實現對硬件執行環境的初步完善。在軟件處理方面，同時聯立MongoDB數據庫架構與MysQL數據庫表，可在確定最大探測距離實值的同時，定義最基本的脈沖函數表達式。從實用性角度來看，已存儲目標數據跨域調度速率與單位時間內目標信息存儲值的同步提升，可促進臨空高速目標數據存儲與調度環境的不斷完善，符合與目標節點探測處理相關的實際應用需求。